(57)【要約】【課題】排気量の推定精度を向上させる。【解決手段】制御装置により、インジェクタの閉動作を契機に排気排水弁を開弁させ、排気排水弁の開弁時における圧力降下時の圧力センサの計測値から燃料電池システムの排気量を推定する。この場合、インジェクタの閉動作の所定時間後に排気排水弁を開弁させてもよい。あるいは、制御装置からインジェクタへ閉信号を送信してから所定時間後に排気排水弁を開弁させてもよい。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される燃料ガスの供給源と、
前記燃料ガス供給源から前記燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
前記燃料供給流路に設けられたインジェクタと、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料オフガス循環流路、または燃料ガス供給流路に設けられた圧力センサと、
前記燃料電池の下流に設けられた排気排水弁と、
前記インジェクタおよび前記排気排水弁の開閉動作を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムの排気量を推定する方法であって、
前記制御装置により、前記インジェクタの閉動作を契機に前記排気排水弁を開弁させ、前記排気排水弁の開弁時における圧力降下時の前記圧力センサの計測値から前記燃料電池システムの排気量を推定することを特徴とする、燃料電池システムの排気量推定方法。
【請求項２】
前記インジェクタの閉動作後、圧力が安定化したと判断した後に前記排気排水弁を開弁させる、請求項１に記載の燃料電池システムの排気量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの排気量推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から排出された燃料ガス（燃料オフガス）を、燃料オフガス循環流路を通じて燃料ガス供給流路へと循環させる構成の燃料電池システムにおいて、該システムの排気排水弁から排気されるガスの排気量を推定することが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、アノード循環系に設けられた排気排水弁開時の圧力低下から、アノード循環系からの排気量を推定する（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の排気量推定方法においては、排気排水弁が開いている間に水素が断続的にスタックに供給された場合、圧力が変動するため排気量の推定精度が悪くなるおそれがあった。一方、水素が断続的にスタックに供給されることによる排気量の推定精度悪化を防ぐために排気排水弁開弁時であってスタックへ水素が断続的に供給されるまでの間の圧力低下から排気量を推定することも想定されるが、場合によってはとても短い時間しかデータが取れず排気量の推定精度が向上しにくいことが想定される。
【０００６】
そこで、本発明は、排気量の推定精度を向上させた燃料電池システムの排気量推定方法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】
かかる課題を解決するべく本発明は、
燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される燃料ガスの供給源と、
前記燃料ガス供給源から前記燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
前記燃料供給流路に設けられたインジェクタと、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料オフガス循環流路、または燃料ガス供給流路に設けられた圧力センサと、
前記燃料電池の下流に設けられた排気排水弁と、
前記インジェクタおよび前記排気排水弁の開閉動作を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムの排気量を推定する方法であって、
前記制御装置により、前記インジェクタの閉動作を契機に前記排気排水弁を開弁させ、前記排気排水弁の開弁時における圧力降下時の前記圧力センサの計測値から前記燃料電池システムの排気量を推定することを特徴とする。
【０００８】
この排気量推定方法では、インジェクタ閉動作に合わせ、該閉動作と同時に、あるいはその所定時間後に、排気排水弁を開弁し、排気排水弁の開弁時における圧力降下時の圧力センサの計測値から排気量を推定する。こうした場合には、インジェクタの閉動作に合わせて排気排水弁が開弁されるため、インジェクタの動作と無関係に排気排水弁を開弁した場合と比較し排気量を推定するための期間を所望の期間とすることが出来る。これらの結果、排気量の推定精度がさらに向上する。
【０００９】
燃料電池システムの排気量推定方法において、前記インジェクタの閉動作後、圧力が安定化したと判断した後に前記排気排水弁を開弁させてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気量の推定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】排気排水弁およびインジェクタの開閉タイミングと燃料ガス供給流路内の圧力変化との関係の一例を示すチャートである。
【図３】ＥＣＵにより実行される排気排水弁の開閉制御の一例を示すフローチャートである。
【図４】インジェクタ閉動作と同時に排気排水弁を開弁する場合の動作タイミング例を示すチャートである。
【図５】インジェクタ閉動作の所定時間後に排気排水弁を開弁する場合の動作タイミング例を示すチャートである。
【図６】インジェクタの開閉動作、排気排水弁の開閉動作および圧力変化の関係について説明するためのチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、燃料電池システム１の排気量推定方法の実施形態について説明する。燃料電池システム１は、例えば車両に搭載される車両用のシステムに適用されるが、他の用途のシステムヘ適用することも可能なものである。
【００１３】
図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池システム１は、電力供給手段としての燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体高分子電解質膜等の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで狭まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードヘの水素を含む燃料ガスの供給とカソードヘの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。なお、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための通路が接続され、カソード出口には酸化オフガスを排出するための通路が接続されているが、図１では省略している。
【００１４】
タンク３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給する燃料供給源である。燃料ガス供給流路４は、燃料電池２のアノード入口に接続され、タンク３から供給された燃料ガスを燃料電池２に流す配管によって構成されている。燃料ガス供給流路４には調圧バルブ６が配置されており、タンク３から供給される燃料ガスはこの調圧バルブ６で減圧されて燃料電池２に供給される。また、燃料ガス供給流路４における調圧バルブ６の下流側にはインジェクタ１０が配置されている。
【００１５】
インジェクタ１０は、燃料電池２への燃料ガスを噴射する燃料噴射部の一例である。本実施形態のインジェクタ１０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１０や調圧バルブ６は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０によって制御される。
【００１６】
燃料電池２のアノード出口には燃料電池２から排出された燃料ガス（燃料オフガス）を燃料ガス供給流路４に流す燃料オフガス循環流路８が接続されている。この燃料オフガス循環流路８には、燃料電池２から排出された燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給流路４へ送るための循環ポンプ９が設置されている。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２の運転時、燃料ガスは燃料ガス供給流路４と燃料オフガス循環流路８を通って循環する。なお、本実施形態では燃料オフガスを燃料ガス供給流路４に循環させるが、循環させない構成であっても構わない。
【００１７】
燃料オフガス循環流路８の途中には、燃料オフガスから水分を分離する気液分離器１２が配置されている。気液分離器１２は、分離した水を貯留する貯留槽１２ａを有している。本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２の発電によって生成された後、カソード側から電解質膜を透過してアノード側に移動した水を、燃料ガスとともに燃料オフガス循環流路８に排出し、気液分離器１２において回収する。
【００１８】
気液分離器１２の貯留槽１２ａの底部には、気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する排出流路１４が接続されている。排出流路１４の下流端は外気に通じている。燃料電池２の下流、例えば排出流路１４には、排気排水弁１６が配置されている。排気排水弁１６は通常は閉じており、ＥＣＵ２０によって必要に応じて開かれる。排気排水弁１６としては、シャットオフバルブや流量調整バルブなど排出状態を制御することが可能なバルブが用いられる。例えば本実施形態における排気排水弁１６はシャットオフバルブである。貯留槽１２ａから貯留水があふれる前に排気排水弁１６が開いて排水することにより、液水が燃料オフガス循環流路８、燃料ガス供給流路４を介して燃料電池２に供給されることが抑制される。
【００１９】
燃料ガス供給流路４のインジェクタ１０よりも下流側には、燃料ガス供給流路４内の圧力を検出する圧力センサ２１が設けられている。圧力センサ２１は主に燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力を検出する。
【００２０】
燃料オフガス循環流路８の気液分離器１２よりも上流側には、燃料オフガス循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられている。圧力センサ２２は、主に燃料電池２から排出される燃料オフガスの圧力を検出する。
【００２１】
排出流路１４には、排気排水弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサ２３が設けられている。圧力センサ２３の検出値は略大気圧を示す。
【００２２】
これら圧力センサ２１〜２３はＥＣＵ２０の入力側に接続され、検出した圧力に応じた信号をＥＣＵ２０に入力している。
【００２３】
燃料電池２には負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の電気的特性を測定するための装置であり、例えば、電気化学系汎用ポテンシオガスバノスタットを含んだ構成となっている。負荷装置３０は、配線によって燃料電池２のアノード側セパレータとカソード側セパレータに電気的に接続されている。負荷装置３０からの出力信号によりＥＣＵ２０が燃料電池２の負荷電流値を検出することで、燃料電池２の発電時に燃料電池２を流れる負荷電流と、燃料電池２の負荷電圧（セル電圧）を測定することができる。
【００２４】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。ＥＣＵ２０は、燃料電池システム１の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から送信される信号の情報に基づき、各構成要素の動作を制御する。また、ＥＣＵ２０は、燃料ガスの排気量Ｑを推定する制御を実行する。
【００２５】
次に、排気排水弁１６およびインジェクタ１０の開閉タイミングと燃料ガス供給流路４内の圧力変化との関係について一例を挙げて説明する（図２参照）。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システム１においては、時間ｔ１で排気排水弁１６が開き、気液分離器１２内の貯留水が排出され（時間ｔ２〜ｔ３）、その後、燃料オフガスが排出される（時間ｔ２〜ｔ３）。
【００２７】
インジェクタ１０は、開いた後、開時間より長いあいだ閉じ、また開くという動作を繰り返して燃料ガスを断続的に噴射する。インジェクタ１０が燃料ガスを噴射すると、燃料ガス供給流路４内の圧力（ただし、インジェクタ１０よりも下流の部分の圧力）は上昇する。また、燃料電池２の発電によって燃料ガスが消費されると、燃料ガス供給流路４内の圧力低下が引き起こされる。
【００２８】
次に、ＥＣＵ２０により実行される排気排水弁１６の開閉制御の一例を示す（図３参照）。
【００２９】
ＥＣＵ２０は、燃料電池システム１が運転中か否を判定し（ステップＳＰ１）、運転中の場合には、排気排水弁１６の開弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳＰ２）。排気排水弁１６の開弁条件とは、前回の排気排水弁１６の開弁後、圧力が安定化することであり、例えば、開弁から所定時間が経過した場合に圧力が安定したと判断することができる。排気排水弁１６の開弁条件が成立したと判定したら、ＥＣＵ２０は排気排水弁１６を開弁させ（ステップＳＰ３）、排気排水弁１６の開弁による燃料ガスの排気量を推定する（ステップＳＰ４）。ＥＣＵ２０は、推定排気量が目標排気量以上となったか否かを判定し（ステップＳＰ５）、推定排気量が目標排気量以上となるまで排気量の推定を継続する。推定排気量が目標排気量以上となった場合には、ＥＣＵ２０は排気排水弁１６を閉弁させ（ステップＳＰ６）、一連の開閉制御を終了する。なお、日標排気量は予め設定された固定値でもよいし、燃料電池システム１の運転状態に応じて設定されるものであってもよい。以上の制御により、気液分離器１２内の貯留水は排水され、燃料オフガスも所定量が排気される。
【００３０】
次に、燃料電池システム１の排気量Ｑの推定方法の概略について説明する（図４〜図６参照）。
【００３１】
本実施形態では、ＥＣＵ２０により、インジェクタ１０の閉動作を契機として排気排水弁１６を開弁させ、排気排水弁１６の開弁時における圧力降下時の圧力センサ２１の計測値ΔＰから燃料電池システム１の排気量Ｑを推定する。圧力センサ２１の代わりに、燃料電池２の下流側に配置された他の圧力センサ２２，２３を利用してもよいし、これら圧力センサ２１〜２３の複数を利用してもよい。
【００３２】
インジェクタ１０の閉動作を契機とする排気排水弁１６の動作制御は、理想的には、インジェクタ１０の閉動作と同時に排気排水弁１６を開弁させることである（図４参照）。この場合は、インジェクタ１０の閉動作からタイムラグなく排気排水弁１６が開弁動作することとなる。
【００３３】
インジェクタ１０の閉動作を契機とする排気排水弁１６の動作制御の別の例としては、インジェクタ１０の閉動作の所定時間後に排気排水弁１６を開弁させるというものがある（図５参照）。閉動作の所定時間後の計測の仕方としては、例えば、インジェクタ１０へ閉信号を送信してから所定時間が経過したこと、または、閉信号を送信した後に圧力が安定したこと、がある。インジェクタ１０を閉じた後の圧力降下時に脈動が生じることがあるので、インジェクタ１０の閉動作後、圧力安定待ちのためにタイミングをディレイさせてタイムラグを設け、この脈動がある程度収束して安定したところで排気排水弁１６を開弁させるようにしてもよい。
【００３４】
また、ＥＣＰ２０からインジェクタ１０への指令に対して当該インジェクタ１０の実値（実際の動作）にズレ（遅れ）がある場合には（図５参照）、インジェクタ閉指令信号の送信時Ｔ３を基準として、該送信時Ｔ３から所定時間後に排気排水弁１６を開弁させる動作制御を行ってもよい。この動作制御は、タイミングをディレイさせる際の基準時間を異ならせている以外は上述した動作制御と同様であり、脈動がある程度収束して安定したところで排気排水弁１６を開弁させることができる。
【００３５】
なお、図５においては、インジェクタ閉指令信号の送信時Ｔ３から、インジェクタ１０の実際の閉動作時Ｔ４までにズレ（遅れ）がある例を示している。また、この例では、インジェクタ開指令信号の送信時Ｔ１から、インジェクタ１０の実際の開動作時Ｔ２までに、僅かながらズレ（遅れ）がある。本例においては、インジェクタ閉指令信号の送信時Ｔ３を基準とする代わりに、インジェクタ開指令信号の送信時Ｔ１を基準とすることも可能である。
【００３６】
上述のごとき本実施形態の燃料電池システム１の排気量推定方法によれば、排気量の推定精度をさらに向上させることが可能となる。これについて図を用いて詳述すれば以下のとおりである（図６参照）。
【００３７】
すなわち、インジェクタ開時の圧力上昇の間は排気量を算出することができないことから（図６において符号Ｄで示す区間を参照）、従来の一般的な手法では、区間Ａ（インジェクタ１０が閉じてから次に開くまでの区間）における圧力降下分（燃料ガスがなくなって圧力が降下した分）を算出し、さらにここから電流分（燃料ガスが消費されて発生した電流の分）を引くことで、
排気量Ｑ＝（圧力降下分）−（電流分）
という式にしたがい排気量Ｑを求める。ところが、これは、実際には排気されていない排気排水弁１６の閉弁区間Ｂも推定材料に含めていることに等しい（図６参照）。
【００３８】
これに対し、本実施形態では、インジェクタ１０の閉動作等を契機として、該閉動作と同時に、あるいはその所定時間後に排気排水弁１６を開弁することから、排気量Ｑを推定するべく圧力降下分の平均値を求めるに際し、排気排水弁１６の閉弁区間Ｂの圧力降下分を平均値に含めない。つまり、区間Ａのうち、排気排水弁１６が実際に開弁している区間Ｃのみを対象にし、該区間Ｃにおける圧力降下分の平均値を算出して、排気量Ｑを推定する（図６参照）。この排気量推定方法によれば、インジェクタ開による圧力上昇の影響を受けることがなく、尚かつ、算出対象区間内において排気排水弁１６の開弁時間が占める長さが長くなる。これらの結果、燃料電池システム１の排気量Ｑの推定精度がさらに向上する。
【００３９】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、燃料電池車等における燃料電池システムの排気量推定方法に適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…タンク（燃料ガス供給源）
４…燃料ガス供給流路
８…燃料オフガス循環流路
１０…インジェクタ
１６…排気排水弁
２０…ＥＣＵ（制御装置）
２１…圧力センサ
２２…圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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