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JP6801599B2 - 燃料電池システム及び制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及び制御装置に関する。
特許文献１には、高圧水素タンクと燃料電池スタックとの間に水素を減圧膨張させる膨張機を設け、膨張機にて水素を膨張させる際の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する燃料電池システムが開示されている。
特開２００３−２１７６４１号公報
しかしながら、前述した膨張機による膨張エネルギーは、水素の流量、及び膨張機の上流の圧力と下流の圧力との差に依存する。すなわち、当該差が比較的小さい状態で水素を膨張機に流入させた場合、水素の流量が比較的多い状態であっても膨張機から取り出せるエネルギー量が少なくなってしまう。
本発明は、以上の事実を考慮して成されたもので、膨張機による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路に設けられ、前記燃料電池スタックへ供給される水素を減圧させる減圧部と、前記供給経路における前記減圧部の上流側に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧膨張させる膨張機と、前記供給経路における前記膨張機の上流側に設けられ、前記膨張機へ水素の供給を行う開状態と、前記膨張機への水素の供給を遮断するか又は水素の供給量を前記開状態の場合よりも減少させる閉状態と、の何れかの状態に切り替え可能な流量調整部と、前記供給経路における前記膨張機の上流側の第１圧力に対する下流側の第２圧力の圧力差が第１閾値未満となった場合、又は前記第１圧力に対する前記第２圧力の圧力比が第２閾値以上となった場合に、前記流量調整部を前記閉状態に切り替える制御を行う制御部と、を備える。
請求項１に記載の発明によれば、供給経路における膨張機の上流側の第１圧力に対する下流側の第２圧力の圧力差が第１閾値未満となった場合、又は第１圧力に対する第２圧力の圧力比が第２閾値以上となった場合に、流量調整部が閉状態に切り替えられる。従って、圧力差が第１閾値未満、又は圧力比が第２閾値以上の状態では膨張機に水素が供給されないため、膨張機による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
なお、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、水素タンクの内圧を前記第１圧力として測定する第１圧力センサと、前記膨張機と前記減圧部との間の圧力を前記第２圧力として測定する第２圧力センサと、を更に備える。従って、膨張機の上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差又は圧力比を精度よく得ることができる。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記制御部が、前記圧力差が前記第１閾値よりも大きい第３閾値以上となった場合、又は前記圧力比が前記第２閾値よりも小さい第４閾値未満となった場合に、前記流量調整部を前記開状態に切り替える制御を行う。従って、膨張機による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の発明において、前記供給経路に、前記膨張機の上流側から下流側へバイパスするバイパス経路を更に設け、前記流量調整部を、前記供給経路における前記バイパス経路の一端が連結された上流側部分に設けられた三方弁であって、前記開状態で前記膨張機に水素を供給し、かつ前記バイパス経路への水素の供給を遮断し、前記閉状態として、前記膨張機への水素の供給を遮断し、かつ前記バイパス経路へ水素を供給する第１閉状態、及び前記膨張機と前記バイパス経路との双方への供給を遮断する第２閉状態を有する三方弁とする。従って、膨張機を有しない水素の供給経路を設けることができる。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記供給経路における前記バイパス経路の他端が連結された下流側部分と前記膨張機との間に、前記膨張機により減圧膨張された水素と、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水との間で熱交換を行う熱交換器を更に備える。従って、燃料電池スタックを効率よく冷却することができる。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記冷却水の温度を測定する温度センサを更に備え、前記制御部が、前記温度センサにより測定された温度が、予め定められた温度閾値以下の場合に、前記流量調整部を前記第１閉状態に切り替える制御を行う。従って、燃料電池スタックの過冷却を抑制することができる。
また、請求項７に記載の発明は、請求項４から請求項６の何れか１項に記載の発明において、前記減圧部が、前記供給経路における前記バイパス経路の他端が連結された下流側部分と前記膨張機との間に設けられ、前記膨張機と前記流量調整部との間に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧させる第２減圧部と、前記バイパス経路に設けられ、前記燃料電池スタックへ供給される水素を減圧させる第３減圧部と、前記下流側部分と前記燃料電池スタックとの間に設けられたインジェクタと、を更に備える。従って、出力を安定化させることができる。
また、請求項８に記載の発明は、請求項４から請求項６の何れか１項に記載の発明において、前記減圧部が、前記供給経路における前記バイパス経路の他端が連結された下流側部分と前記膨張機との間に設けられ、前記流量調整部と前記水素タンクとの間に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧させる第２減圧部と、前記バイパス経路に設けられたインジェクタと、を更に備える。従って、システムを小型化することができる。
また、請求項９に記載の発明は、水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路に設けられ、前記燃料電池スタックへ供給される水素を減圧させる減圧部と、前記供給経路における前記減圧部の上流側に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧膨張させる膨張機と、前記供給経路における前記膨張機の上流側に設けられ、前記膨張機へ水素の供給を行う開状態と、前記膨張機への水素の供給を遮断するか又は水素の供給量を前記開状態の場合よりも減少させる閉状態と、の何れかの状態に切り替え可能な流量調整部を制御する制御装置であって、前記供給経路における前記膨張機の上流側の第１圧力に対する下流側の第２圧力の圧力差が第１閾値未満となった場合、又は前記第１圧力に対する前記第２圧力の圧力比が第２閾値以上となった場合に、前記流量調整部を前記閉状態に切り替える制御を行う制御部を含む。従って、膨張機による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
以上説明したように本発明によれば、膨張機による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することができる、という効果が得られる。
第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第１実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す正面図である。 第１実施形態に係る制御装置で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る圧力の時系列の推移の一例を示すグラフである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第２実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す正面図である。 第２実施形態に係る制御装置で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る圧力の時系列の推移の一例を示すグラフである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第３実施形態に係る第２制御弁が取り得る状態の一例を示す図である。 第３実施形態に係る制御装置で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第４実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示す正面図である。 第４実施形態に係る制御装置で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 変形例に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 変形例に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第６実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第７実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第８実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第８実施形態に係る第２制御弁が取り得る状態の一例を示す図である。 第８実施形態に係る制御装置で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態では、燃料電池システムが車両に搭載された場合の形態例を説明する。
［第１実施形態］
まず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、水素タンク１４、第１制御弁１８、第１圧力センサ２０、第２制御弁２２、膨張機２４、熱交換器２６、サブタンク２８、調圧弁３０、及びインジェクタ３２を備える。また、燃料電池システム１０は、エネルギー回収装置３４、気液分離部３６、水素ポンプ３８、排水弁４０、ラジエータ４２、及び制御装置５０を更に備える。
燃料電池スタック１２は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルが積層されて形成されている。水素タンク１４には、燃料電池スタック１２に供給するための高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素が充填される。なお、以下では、水素タンク１４側を水素の流路の上流とし、燃料電池スタック１２側を水素の流路の下流として説明する。
水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路１６には、第１制御弁１８、第１圧力センサ２０、第２制御弁２２、膨張機２４、熱交換器２６、サブタンク２８、調圧弁３０、及びインジェクタ３２が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。
第１制御弁１８は、制御装置５０による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。第１圧力センサ２０は、第１制御弁１８と第２制御弁２２との間の圧力を、水素タンク１４の内圧として測定する。なお、水素タンク１４の内圧を、水素タンク１４の内部に設けられた圧力センサによって測定してもよい。第２制御弁２２は、開示の技術の流量調整部の一例であり、制御装置５０による制御によって、水素タンク１４から膨張機２４への水素の供給を遮断する閉状態、及び水素タンク１４から膨張機２４へ水素を供給する開状態の何れかの状態となる弁体である。
膨張機２４は、水素タンク１４から供給された水素を減圧膨張させる。膨張機２４には、エネルギー回収装置３４が接続され、エネルギー回収装置３４は、膨張機２４が水素を減圧膨張させる際の膨張エネルギーを、機械エネルギーに変換して回収する。エネルギー回収装置３４の例としては、減速機、発電機、吸気圧縮機、及び送風機等が挙げられる。
熱交換器２６は、膨張機２４による減圧膨張によって冷却された水素と、後述する冷却水循環路４４を循環する冷却水との間で熱交換を行う。サブタンク２８には、水素が蓄えられる。調圧弁３０は、開示の技術の減圧部の一例であり、サブタンク２８から流入する水素を減圧させる。インジェクタ３２は、例えば電磁式の開閉弁を含み、燃料電池スタック１２への水素の供給量を調整する。
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２とインジェクタ３２との間の圧力領域を供給圧領域といい、供給圧領域の圧力は、例えば４０［ｋＰａ］以上２００［ｋＰａ］未満とされる。また、本実施形態では、インジェクタ３２と調圧弁３０との間の圧力領域を調圧領域といい、調圧領域の圧力は、例えば１［ＭＰａ］以上１．５［ＭＰａ］未満とされる。また、本実施形態では、調圧弁３０と第２制御弁２２との間の圧力領域を圧力変動領域といい、圧力変動領域の圧力は、例えば１．５［ＭＰａ］以上７０［ＭＰａ］未満とされる。また、本実施形態では、第２制御弁２２より上流の圧力領域を高圧領域といい、高圧領域の圧力は、例えば７０［ＭＰａ］以下とされる。
気液分離部３６は、燃料電池スタック１２から排出された水素ガス及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離する。水素ポンプ３８は、気液分離部３６により分離された気体成分に含まれる水素を、供給経路１６上のインジェクタ３２の下流に送り出す循環ポンプとして機能する。また、気液分離部３６により分離された液体成分は、排水弁４０を介して外部に排出される。ラジエータ４２は、例えば外気を取り込むファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環路４４を流れる冷却水を冷却する。冷却水循環路４４を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１２が冷却される。
制御装置５０は、機能的には図１に示すように、推定部５２及び制御部５４を備える。推定部５２は、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２との圧力差ＰＤ（＝Ｐ１−Ｐ２）を推定する。本実施形態では、推定部５２は、第１圧力センサ２０により測定された圧力を圧力Ｐ１として用いる。また、推定部５２は、第２制御弁２２閉後のインジェクタ３２の水素の累積噴射量及び水素タンク１４内の水素の残量等に基づいて、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力を推定し、この圧力を圧力Ｐ２として用いる。そして、推定部５２は、圧力Ｐ１から、圧力Ｐ２を減算して得られた値を、圧力差ＰＤとして推定する。
制御部５４は、推定部５２により推定された圧力差ＰＤが、予め定められた閾値ＴＨ１未満となった場合に、第２制御弁２２を閉状態に切り替える制御を行うことによって、膨張機２４への水素の供給を遮断させる。なお、この場合の閾値ＴＨ１は、膨張機２４の設計仕様等に応じて適宜決めればよい。また、制御部５４は、推定部５２により推定された圧力Ｐ２が予め定められた下限値ＬＶ１（例えば、２ＭＰａ）未満となった場合に、第２制御弁２２を開状態に切り替える制御を行うことによって、膨張機２４への水素の供給を開始させる。
次に、図２を参照して、制御装置５０のハードウェア構成について説明する。図２に示すように、制御装置５０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備える。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むマイクロコンピュータで構成されている。また、ＥＣＵ６０には、前述した第１制御弁１８、第１圧力センサ２０、及び第２制御弁２２等が接続される。以上の構成により、ＥＣＵ６０は、第１制御弁１８及び第２制御弁２２の制御と、第１圧力センサ２０により測定された圧力の取得とを行う。
次に、図３及び図４を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の作用について説明する。なお、図３は、本実施の形態に係る制御装置５０のＥＣＵ６０で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。また、本実施の形態では、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムをＥＣＵ６０が実行することによって、上記制御処理が実行される。また、図３に示す制御処理は、例えば図示しないパワースイッチがオン状態とされた場合等の燃料電池スタック１２の駆動が開始された場合に実行される。また、制御装置５０のＥＣＵ６０がＲＯＭに予め記憶されたプログラムを実行することによって、図１に示す推定部５２及び制御部５４として機能する。
また、図４は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１と、推定部５２により推定された調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２との時系列の推移の一例を示すグラフである。図４の実線Ｌ１が圧力Ｐ１を示し、実線Ｌ２が圧力Ｐ２を示す。
図３のステップＳ１０で、制御部５４は、第１制御弁１８を開状態とする制御を行う。次のステップＳ１２で、制御部５４は、第２制御弁２２を閉状態とする制御を行う。次のステップＳ１４で、推定部５２は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１を取得する。また、推定部５２は、インジェクタ３２による水素の噴射量及び水素タンク１４内の水素の残量等に基づいて、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２を推定する。そして、推定部５２は、圧力Ｐ１から圧力Ｐ２を減算して得られた値を、圧力差ＰＤとして推定する。
次のステップＳ１６で、制御部５４は、ステップＳ１４の処理により推定された調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１未満であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ２０に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ１８に移行する。
ステップＳ１８で、制御部５４は、第２制御弁２２を開状態とする制御を行う。なお、すでに第２制御弁２２が開状態である場合は、開状態を継続する。ステップＳ１８の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。一方、ステップＳ２０で、制御部５４は、ステップＳ１４の処理により推定された圧力差ＰＤが、閾値ＴＨ１未満であるか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２で、制御部５４は、第２制御弁２２を閉状態とする制御を行う。なお、すでに第２制御弁２２が閉状態である場合は、閉状態を継続する。ステップＳ２２の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。また、ステップＳ２０の判定が否定判定となった場合は、ステップＳ２２の処理は実行されずに、処理はステップＳ２４に移行する。
ステップＳ２４で、制御部５４は、予め定められた終了タイミングが到来したか否かを判定する。この終了タイミングとしては、パワースイッチがオフ状態とされたタイミング等の燃料電池スタック１２の駆動が停止するタイミングが挙げられる。ステップＳ２４の判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ１４に戻り、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ２６に移行する。
ステップＳ２６で、制御部５４は、第１制御弁１８を閉状態とする制御を行う。ステップＳ２６の処理が終了すると、制御処理が終了する。
以上の制御処理により、一例として図４に示すように、まず、燃料電池スタック１２の駆動が開始すると、ステップＳ１０、Ｓ１２の処理により第１制御弁１８が開状態とされ、第２制御弁２２は閉状態とされる。この処理により、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が低下し始める。また、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１以上である期間Ｔ１の間は、第２制御弁２２は閉状態が続き、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が低下して所定の圧力差ＰＤが確保される。
また、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１以上から下限値ＬＶ１未満になると、ステップＳ１８の処理により第２制御弁２２が開状態とされ、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が上昇する。そして、圧力差ＰＤが閾値ＴＨ１未満になるまでの期間Ｔ２の間は、第２制御弁２２は開状態が続き、この期間Ｔ２の圧力差ＰＤに応じた膨張機２４による膨張エネルギーがエネルギー回収装置３４により回収される。
次に、圧力差ＰＤが閾値ＴＨ１以上から閾値ＴＨ１未満になると、ステップＳ２２の処理により第２制御弁２２が閉状態とされ、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が低下する。そして、圧力差ＰＤが閾値ＴＨ１以上で、かつ調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１未満になるまでの期間Ｔ３の間は、第２制御弁２２は閉状態が続き、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が低下して所定の圧力差ＰＤが確保される。以降は、燃料電池スタック１２の駆動が停止するまで、期間Ｔ２と期間Ｔ３とが交互に繰り返される。
以上説明したように、本実施の形態によれば、圧力差ＰＤが閾値ＴＨ１未満となった場合に第２制御弁２２を閉状態とすることにより、閾値ＴＨ１以上の圧力差ＰＤが確保される。従って、膨張機２４による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
なお、本実施形態では、調圧弁３０と膨張機２４の間の圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１未満となった場合に、第２制御弁２２を開状態とする場合について説明したが、これに限定されない。圧力差ＰＤが、閾値ＴＨ１よりも大きい閾値ＴＨ２以上となった場合に、第２制御弁２２を開状態とすることによって、膨張機２４への水素の供給を開始させる形態としてもよい。
また、本実施形態では、第２制御弁２２を閉状態にすると、膨張機２４への水素の供給が遮断される場合について説明したが、これに限定されない。例えば、第２制御弁２２を閉状態にすると、膨張機２４への水素の供給量が、第２制御弁２２を開状態にした場合よりも減少される形態としてもよい。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図５を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム２１０の構成について説明する。図５に示すように、燃料電池システム２１０は、第２圧力センサ２１を更に備える。第２圧力センサ２１は、供給経路１６上のサブタンク２８と調圧弁３０との間に設けられ、サブタンク２８と調圧弁３０との間の圧力を測定する。制御装置５０は、機能的には、推定部２５２及び制御部２５４を備える。
推定部２５２は、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２との圧力差ＰＤを推定する。本実施形態では、推定部２５２は、第１圧力センサ２０により測定された圧力を圧力Ｐ１として用いる。また、推定部２５２は、第２圧力センサ２１により測定された圧力を圧力Ｐ２として用いる。そして、推定部２５２は、圧力Ｐ１から、圧力Ｐ２を減算して得られた値を、圧力差ＰＤとして推定する。また、制御部２５４は、第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１未満となった場合に、第２制御弁２２を開状態に切り替える制御を行うことによって、膨張機２４への水素の供給を開始させる。
また、制御部２５４は、ＥＣＵ６０とは異なるＥＣＵ（図示省略）から高負荷指令が入力されている間は、第１実施形態に係る制御部５４と同様に、圧力差ＰＤが閾値ＴＨ１未満となった場合に、第２制御弁２２を閉状態に切り替える制御を行う。一方、制御部２５４は、高負荷指令が入力されていない場合で、かつ第２圧力センサ２１により測定された圧力が上限値ＵＶ１以上となった場合、第２制御弁２２を閉状態に切り替える制御を行う。この場合の上限値ＵＶ１の例としては、下限値ＬＶ１よりも大きく、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１よりも小さい範囲内の所定の値が挙げられる。また、上記高負荷指令は、例えば、車両のアクセル開度が所定値以上の状態が、所定期間以上続いている場合等の所定の負荷以上である場合に、ＥＣＵ６０に入力される。
次に、図６を参照して、制御装置５０のハードウェア構成について説明する。図６に示すように、ＥＣＵ６０には、前述した第２圧力センサ２１が更に接続される。
次に、図７及び図８を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム２１０の作用について説明する。なお、図７は、本実施の形態に係る制御装置５０のＥＣＵ６０で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。また、本実施の形態では、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムをＥＣＵ６０が実行することによって、上記制御処理が実行される。また、図７に示す制御処理は、例えば図示しないパワースイッチがオン状態とされた場合等の燃料電池スタック１２の駆動が開始された場合に実行される。また、制御装置５０のＥＣＵ６０がＲＯＭに予め記憶されたプログラムを実行することによって、図５に示す推定部２５２及び制御部２５４として機能する。また、図７における図３と同一の処理を実行するステップについては、同一のステップ番号を付して説明を省略する。
また、図８は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１と、第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２との時系列の推移の一例を示すグラフである。図８の実線Ｌ３が第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１を示し、実線Ｌ４が第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２を示す。なお、図８では、期間Ｔ１、Ｔ４が、高負荷指令が入力されていない期間で、かつ期間Ｔ２、Ｔ３が、高負荷指令が入力されている期間である場合の例を示している。
図７のステップＳ２１４で、推定部２５２は、第１圧力センサ２０及び第２圧力センサ２１の各々により測定された圧力を取得する。そして、推定部２５２は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１から、第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２を減算して得られた値を、圧力差ＰＤとして推定する。
ステップＳ２１６で、制御部２５４は、ステップＳ２１４で取得された第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１未満であるか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ１８に移行し、否定判定となった場合は、処理はステップＳ２３０に移行する。
ステップＳ２３０で、制御部２５４は、上記高負荷指令が入力されているか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ２０に移行し、否定判定となった場合は、処理はステップＳ２３２に移行する。ステップＳ２３２で、制御部２５４は、ステップＳ２１４で取得された第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２が上限値ＵＶ１以上であるか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ２３４に移行する。ステップＳ２３４で、制御部２５４は、第２制御弁２２を閉状態とする制御を行う。ステップＳ２３４の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。また、ステップＳ２３２の判定が否定判定となった場合は、ステップＳ２３４の処理は実行されずに、処理はステップＳ２４に移行する。
以上の制御処理により、一例として図８に示すように、期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、第１実施形態と同様に、圧力が変化する。一方、高負荷指令が入力されていない期間Ｔ４は、第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐ２が下限値ＬＶ１以上で、かつ上限値ＵＶ１未満の範囲内となるように、第２制御弁２２の開閉が繰り返される。
以上説明したように、本実施形態によれば、高負荷指令が入力されていない期間中に膨張機２４による水素の膨張エネルギーを回収しつつ、高負荷指令が入力された時点での圧力差ＰＤを比較的大きい状態に維持することができる。従って、膨張機２４による水素の膨張エネルギーを効率よく回収することができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。なお、第２実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図９及び図１０を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム３１０の構成について説明する。図９に示すように、燃料電池システム３１０は、第２実施形態の第２制御弁２２に代えて、第２制御弁２２Ａを備える。また、燃料電池システム３１０は、逆止弁４６を更に備える。
また、本実施形態に係る燃料電池システム３１０では、供給経路１６に、膨張機２４の上流側から下流側へバイパスするバイパス経路が設けられている。なお、以下では、錯綜を回避するために、供給経路１６における上記バイパス経路の上流側の一端に連結された部分と下流側の他端に連結された部分との間の経路を第１供給経路１６Ａといい、バイパス経路を第２供給経路１６Ｂという。第１供給経路１６Ａには、膨張機２４、熱交換器２６、サブタンク２８、第２圧力センサ２１、及び逆止弁４６が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。本実施形態では、第１供給経路１６Ａと第２供給経路１６Ｂとは、調圧弁３０の上流で合流する。逆止弁４６は、サブタンク２８への水素の逆流を防止するために設けられている。
また、燃料電池システム３１０では、供給経路１６における第２供給経路１６Ｂの上流側の一端に連結された部分に三方弁である第２制御弁２２Ａが設けられている。本実施形態に係る第２制御弁２２Ａは、図１０に示すように、開状態、第１閉状態、及び第２閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、第２供給経路１６Ｂへの水素の供給を遮断し、かつ第１供給経路１６Ａ（すなわち、膨張機２４）へ水素の供給を行う状態である。また、第１閉状態は、第２供給経路１６Ｂへ水素の供給を行い、かつ第１供給経路１６Ａへの水素の供給を遮断する状態である。また、第２閉状態は、第１供給経路１６Ａ及び第２供給経路１６Ｂの双方への水素の供給を遮断する状態である。
制御装置５０は、機能的には、推定部２５２及び制御部３５４を備える。制御部３５４は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１が予め定められた閾値ＴＨ３未満の場合は、第２制御弁２２Ａを第１閉状態とする制御を行う。また、制御部３５４は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１が閾値ＴＨ３以上の場合は、第２実施形態に係る制御部２５４と同様の制御を行う。
制御装置５０のハードウェア構成は、第２実施形態の第２制御弁２２を第２制御弁２２Ａに置き換えればよいため、説明を省略する。
次に、図１１を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム３１０の作用について説明する。なお、図１１は、本実施の形態に係る制御装置５０のＥＣＵ６０で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。また、本実施の形態では、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムをＥＣＵ６０が実行することによって、上記制御処理が実行される。また、図１１に示す制御処理は、例えば図示しないパワースイッチがオン状態とされた場合等の燃料電池スタック１２の駆動が開始された場合に実行される。また、制御装置５０のＥＣＵ６０がＲＯＭに予め記憶されたプログラムを実行することによって、図９に示す推定部２５２及び制御部３５４として機能する。また、図１１における図７と同一の処理を実行するステップについては、同一のステップ番号を付して説明を省略する。
図１１のステップＳ３００で、制御部３５４は、ステップＳ２１４で取得された第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐ１が閾値ＴＨ３未満であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ２１６に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ３０２に移行する。
ステップＳ３０２で、制御部３５４は、第２制御弁２２Ａを第１閉状態とする制御を行う。なお、すでに第２制御弁２２Ａが第１閉状態である場合は、第１閉状態を継続する。ステップＳ３０２の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
一方、ステップＳ３１８では、制御部２５４は、第２制御弁２２Ａを開状態とする制御を行う。なお、すでに第２制御弁２２Ａが開状態である場合は、開状態を継続する。また、ステップＳ３２２及びステップＳ３３４では、制御部２５４は、第２制御弁２２Ａを第２閉状態とする制御を行う。なお、すでに第２制御弁２２Ａが第２閉状態である場合は、第２閉状態を継続する。
以上説明したように、本実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、水素タンク１４の内圧が比較的低圧となった場合でも、膨張機２４を有さない供給経路を使用し燃料電池スタック１２へ水素を供給することで、燃料電池システム３１０の動作を安定させることができる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。なお、第３実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１２を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム４１０の構成について説明する。図１２に示すように、燃料電池システム４１０は、冷却水循環路４４を流れる冷却水の温度を測定する温度センサ４８を更に備える。制御装置５０は、機能的には、推定部２５２及び制御部４５４を備える。
制御部４５４は、温度センサ４８により測定された温度が予め定められた温度閾値以下の場合は、第２制御弁２２Ａを第１閉状態とする制御を行う。また、制御部４５４は、温度センサ４８により測定された温度が上記温度閾値を超える場合は、第３実施形態に係る制御部３５４と同様の制御を行う。
次に、図１３を参照して、制御装置５０のハードウェア構成について説明する。図１３に示すように、ＥＣＵ６０には、前述した温度センサ４８が更に接続される。
次に、図１４を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム４１０の作用について説明する。なお、図１４は、本実施の形態に係る制御装置５０のＥＣＵ６０で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。また、本実施の形態では、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムをＥＣＵ６０が実行することによって、上記制御処理が実行される。また、図１４に示す制御処理は、例えば図示しないパワースイッチがオン状態とされた場合等の燃料電池スタック１２の駆動が開始された場合に実行される。また、制御装置５０のＥＣＵ６０がＲＯＭに予め記憶されたプログラムを実行することによって、図１２に示す推定部２５２及び制御部４５４として機能する。また、図１４における図１１と同一の処理を実行するステップについては、同一のステップ番号を付して説明を省略する。
図１４のステップＳ４００で、制御部４５４は、温度センサ４８により測定された温度を取得する。次のステップＳ４０２で、制御部４５４は、ステップＳ４００で取得された温度が上記温度閾値以下であるか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ３０２に移行し、否定判定となった場合は、処理はステップＳ２１４に移行する。
以上説明したように、本実施形態によれば、第３実施形態と同様の効果を奏することができる。更に、本実施形態によれば、燃料電池スタック１２を冷却する冷却水の温度が温度閾値以下である場合は、第２制御弁２２Ａを第１閉状態とすることにより、第１供給経路１６Ａへの水素の供給が遮断され、第２供給経路１６Ｂに水素が供給される。従って、この場合、熱交換器２６での熱交換が行われないため、冷却水が冷却されない結果、燃料電池スタック１２の過冷却を抑制することができる。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明する。なお、第４実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１５を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム５１０の構成について説明する。図１５に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム５１０は、第２供給経路１６Ｂに調圧弁３０が設けられている。また、第１供給経路１６Ａにおける第２圧力センサ２１の下流側には、調圧弁３０と同様の第２調圧弁３１Ａが設けられている。また、第１供給経路１６Ａにおける膨張機２４の上流側には、流入する水素を減圧させる第３調圧弁３１Ｂが設けられている。また、第１供給経路１６Ａ及び第２供給経路１６Ｂは、インジェクタ３２の上流で合流する。
制御装置５０は、機能的には、推定部５５２及び制御部４５４を備える。推定部５５２は、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２との圧力差ＰＤを推定する。本実施形態では、推定部５５２は、第３調圧弁３１Ｂにより減圧された圧力を圧力Ｐ１として用いる。この圧力Ｐ１は、例えば、第３調圧弁３１Ｂの設計仕様等に基づいて予め定められている。また、推定部５５２は、第２圧力センサ２１により測定された圧力を圧力Ｐ２として用いる。そして、推定部５５２は、圧力Ｐ１から、圧力Ｐ２を減算して得られた値を、圧力差ＰＤとして推定する。
なお、本実施形態に係る制御装置５０のハードウェア構成は、第４実施形態と同様であるため、説明を省略する。
また、本実施形態に係る燃料電池システム５１０の作用は、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１として、第４実施形態で用いた第１圧力センサ２０により測定された圧力に代えて、第３調圧弁３１Ｂにより減圧された圧力を用いる点のみが異なるため説明を省略する。
以上説明したように、本実施形態によれば、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１の上限値を第３調圧弁３１Ｂによって第４実施形態よりも低い値に設定している。これにより、膨張機２４の出力を安定化すると共に、第２制御弁２２Ａの開閉時の膨張機２４への圧力変化を緩和することができる。
なお、例えば、図１６に示すように、第４実施形態と同様に第１供給経路１６Ａに逆止弁４６を設け、第１供給経路１６Ａ及び第２供給経路１６Ｂが調圧弁３０の上流で合流してもよい。また、例えば、図１７に示すように、第２制御弁２２Ａに代えて、第２制御弁２２と同様の２方弁である第２制御弁２２Ｂを第１供給経路１６Ａに設け、第２制御弁２２Ｃを第２供給経路１６Ｂに設ける形態としてもよい。この場合、第２制御弁２２Ｂが開状態で、第２制御弁２２Ｃが閉状態である状態が、第２制御弁２２Ａの開状態に相当する。また、第２制御弁２２Ｂが閉状態で、第２制御弁２２Ｃが開状態である状態が、第２制御弁２２Ａの第１閉状態に相当する。また、第２制御弁２２Ｂ、２２Ｃの双方が閉状態である状態が、第２制御弁２２Ａの第２閉状態に相当する。また、図１７に示した形態例において、第２制御弁２２Ｂの位置と第３調圧弁３１Ｂの位置は逆であってもよい。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明する。なお、第５実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１８を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム６１０の構成について説明する。図１８に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム６１０は、第１供給経路１６Ａ及び第２供給経路１６Ｂがインジェクタ３２の下流で合流する。すなわち、本実施形態では、膨張機２４の下流側の圧力の下限値が第５実施形態よりも小さい値となる。
なお、本実施形態に係る制御装置５０のハードウェア構成は、第５実施形態と同様であるため、説明を省略する。
また、本実施形態に係る燃料電池システム６１０の作用は、下限値ＬＶ１を第５実施形態よりも小さい値にする以外は第５実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、本実施形態によれば、第５実施形態よりも膨張機２４の下流側の圧力の下限値が小さくなるため、適切な膨張比を選択することができる。
［第７実施形態］
次に、第７実施形態について説明する。なお、第６実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図１９を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム７１０の構成について説明する。図１９に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム７１０は、第３調圧弁３１Ｂが、供給経路１６における第２制御弁２２Ａの上流側に設けられている。すなわち、本実施形態では、第２制御弁２２Ａに流入する圧力の上限値が第６実施形態よりも小さい値となる。また、第２供給経路１６Ｂには、インジェクタ３２が設けられている。
なお、本実施形態に係る制御装置５０のハードウェア構成は、第６実施形態と同様であるため、説明を省略する。
また、本実施形態に係る燃料電池システム７１０の作用は、第６実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、本実施形態によれば、高圧系の水素を利用しないため、膨張機２４の高いシール性能を実現することができる結果、燃料電池システム７１０を小型化することができる。
［第８実施形態］
次に、第８実施形態について説明する。なお、第５実施形態と同様の構成となる部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図２０を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム８１０の構成について説明する。図２０に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム８１０の制御装置５０は、機能的には、推定部８５２及び制御部８５４を備える。
なお、本実施形態に係る制御装置５０のハードウェア構成は、第５実施形態と同様であるため、説明を省略する。
次に、図２２を参照して、本実施の形態に係る燃料電池システム８１０の作用について説明する。なお、図２２は、本実施の形態に係る制御装置５０のＥＣＵ６０で実行される制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。また、本実施の形態では、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムをＥＣＵ６０が実行することによって、上記制御処理が実行される。また、図２２に示す制御処理は、例えば図示しないパワースイッチがオン状態とされた場合等の燃料電池スタック１２の駆動が開始された場合に実行される。また、制御装置５０のＥＣＵ６０がＲＯＭに予め記憶されたプログラムを実行することによって、図２０に示す推定部８５２及び制御部８５４として機能する。また、図２２における図１４と同一の処理を実行するステップについては、同一のステップ番号を付して説明を省略する。
また、以下では、錯綜を回避するために、第１圧力センサ２０により測定された圧力をＰａと表し、第３調圧弁３１Ｂにより減圧された圧力をＰｃと表し、第２圧力センサ２１により測定された圧力をＰｄと表す。また、以下では、錯綜を回避するために、調圧弁３０によって減圧された圧力をＰｅと表し、温度センサ４８により測定された温度をＴｅと表す。
また、以下では、錯綜を回避するために、図２１に示すように、第２制御弁２２Ｃの第２供給経路１６Ｂに接続される第１回路Ｖｂを閉状態とし、第１供給経路１６Ａに接続される第２回路Ｖｃを開状態とした状態を、図１０における開状態と表す。また、図２１に示すように、第２制御弁２２Ｃの第１回路Ｖｂを開状態とし、第２回路Ｖｃを閉状態とした状態を、図１０における第１閉状態と表す。また、図２１に示すように、第２制御弁２２Ｃの第１回路Ｖｂ及び第２回路Ｖｃの双方を閉状態とした状態を、図１０における第２閉状態と表す。
図２２のステップＳ８００で、推定部８５２は、第１圧力センサ２０により測定された圧力Ｐａ、及び第２圧力センサ２１により測定された圧力Ｐｄを取得する。ステップＳ８０２で、制御部８５４は、Ｐａが（Ｐｅ＋δ）以上であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８０４に移行する。ステップＳ８０４で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを開状態に制御し、第２回路Ｖｃを閉状態に制御する。ステップＳ８０４の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
一方、ステップＳ８０２の判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８０６に移行する。ステップＳ８０６で、制御部８５４は、高負荷指令が入力されているか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８０８に移行する。ステップＳ８０８で、制御部８５４は、Ｔｅが９０［℃］より高いか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８１０に移行する。
ステップＳ８１０で、制御部８５４は、ＰｄがＰｅより高いか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８１４に移行し、否定判定となった場合は、処理はステップＳ８１２に移行する。ステップＳ８１２で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを開状態に制御する。ステップＳ８１２の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
ステップＳ８１４で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを閉状態に制御する。ステップＳ８１６で、制御部８５４は、Ｐｄが（Ｐｃ−α）以下であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８２２に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８１８に移行する。
ステップＳ８１８で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃが閉状態で、かつＰｄが（Ｐｅ＋γ）より高いか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８２２に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８２０に移行する。ステップＳ８２０で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃを開状態に制御する。ステップＳ８２０の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。また、ステップＳ８２２で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃを閉状態に制御する。ステップＳ８２２の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
一方、ステップＳ８０８の判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８２４に移行する。ステップＳ８２４で、制御部８５４は、Ｔｅが３０［℃］より高く、かつ９０［℃］以下であるか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８２８に移行し、否定判定となった場合は、処理はステップＳ８２６に移行する。ステップＳ８２６で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを開状態に制御し、第２回路Ｖｃを閉状態に制御する。ステップＳ８２６の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
ステップＳ８２８で、制御部８５４は、ＰｄがＰｅより高いか否かを判定する。この判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８３２に移行し、否定判定となった場合は、処理はステップＳ８３０に移行する。ステップＳ８３０で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを開状態に制御する。ステップＳ８３０の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
ステップＳ８３２で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを閉状態に制御する。ステップＳ８３４で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃが閉状態で、かつＰｄが（Ｐｅ＋β）以下であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８４２に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８３６に移行する。
ステップＳ８３６で、制御部８５４は、Ｐｄが（Ｐｅ＋γ）以下であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８４０に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８３８に移行する。ステップＳ８３８で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃを開状態に制御する。ステップＳ８３８の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。ステップＳ８４０で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃを閉状態に制御する。ステップＳ８４０の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
ステップＳ８４２で、制御部８５４は、Ｐｄが（Ｐｅ＋β）以下であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８４６に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８４４に移行する。ステップＳ８４４で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃを開状態に制御する。ステップＳ８４４の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。ステップＳ８４６で、制御部８５４は、第２回路Ｖｃを閉状態に制御する。ステップＳ８４６の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
一方、ステップＳ８０６の判定が肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８４８に移行する。ステップＳ８４８で、制御部８５４は、Ｔｅが３０［℃］以下であるか否かを判定する。この判定が否定判定となった場合は、処理はステップＳ８１０に移行し、肯定判定となった場合は、処理はステップＳ８５０に移行する。ステップＳ８５０で、制御部８５４は、第１回路Ｖｂを開状態に制御し、第２回路Ｖｃを閉状態に制御する。ステップＳ８５０の処理が終了すると、処理はステップＳ２４に移行する。
なお、本実施形態において、下限の圧力の判定に用いるＰｅに代えて、Ｐｄの位置での圧力として、Ｐｅに第２調圧弁３１Ａの抵抗分に対応するεを加えたＰｅ’（＝Ｐｅ＋ε）を用いてもよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、第５実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、上記各実施形態では、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２との圧力差ＰＤを閾値と比較することによって、制御弁の開閉状態を切り替える場合について説明したが、これに限定されない。例えば、膨張機２４の上流側の圧力Ｐ１に対する下流側の圧力Ｐ２の圧力比ＰＲ（＝Ｐ２／Ｐ１）を閾値と比較することによって、制御弁の開閉状態を切り替える形態としてもよい。この場合、例えば、第１実施形態では、圧力比ＰＲが予め定められた閾値ＴＨ４以上となった場合に、第２制御弁２２を閉状態とする形態が例示される。また、例えば、圧力比ＰＲが閾値ＴＨ４より小さい閾値ＴＨ５未満となった場合に、第２制御弁２２を開状態とする形態が例示される。この場合の閾値ＴＨ４、ＴＨ５は、膨張機２４の設計仕様等に応じて適宜決めればよい。
また、上記各実施形態におけるＥＣＵ６０で行われる処理は、プログラムを実行することにより行われるソフトウェア処理として説明したが、ハードウェアで行われる処理としてもよい。また、ＥＣＵ６０で行われる処理は、ソフトウェア及びハードウェアの双方を組み合わせて行われる処理としてもよい。また、ＲＯＭに記憶されるプログラムは、各種記憶媒体に記憶して流通させてもよい。
さらに、本発明は、上記の形態例に限定されるものではなく、上記の形態例以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池スタック
１４ 水素タンク
１６ 供給経路
１６Ａ 第１供給経路
１６Ｂ 第２供給経路
２０ 第１圧力センサ
２１ 第２圧力センサ
２２、２２Ａ、２２Ｂ 第２制御弁（流量調整部）
２４ 膨張機
２６ 熱交換器
３０ 調圧弁（減圧部、第３減圧部）
３１Ａ 第２調圧弁（減圧部）
３１Ｂ 第３調圧弁（第２減圧部）
３２ インジェクタ
４８ 温度センサ
５０ 制御装置
５２、２５２、５５２、８５２ 推定部
５４、２５４、３５４、４５４、８５４ 制御部
６０ ＥＣＵ

Claims (9)

  1. 水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路に設けられ、前記燃料電池スタックへ供給される水素を減圧させる減圧部と、
    前記供給経路における前記減圧部の上流側に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧膨張させる膨張機と、
    前記供給経路における前記膨張機の上流側に設けられ、前記膨張機へ水素の供給を行う開状態と、前記膨張機への水素の供給を遮断するか又は水素の供給量を前記開状態の場合よりも減少させる閉状態と、の何れかの状態に切り替え可能な流量調整部と、
    前記供給経路における前記膨張機の上流側の第１圧力に対する下流側の第２圧力の圧力差が第１閾値未満となった場合、又は前記第１圧力に対する前記第２圧力の圧力比が第２閾値以上となった場合に、前記流量調整部を前記閉状態に切り替える制御を行う制御部と、
    を備えた燃料電池システム。
  2. 前記水素タンクの内圧を前記第１圧力として測定する第１圧力センサと、
    前記膨張機と前記減圧部との間の圧力を前記第２圧力として測定する第２圧力センサと、
    を更に備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記圧力差が前記第１閾値よりも大きい第３閾値以上となった場合、又は前記圧力比が前記第２閾値よりも小さい第４閾値未満となった場合に、前記流量調整部を前記開状態に切り替える制御を行う
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記供給経路に、前記膨張機の上流側から下流側へバイパスするバイパス経路を更に設け、
    前記流量調整部を、前記供給経路における前記バイパス経路の一端が連結された上流側部分に設けられた三方弁であって、前記開状態で前記膨張機に水素を供給し、かつ前記バイパス経路への水素の供給を遮断し、前記閉状態として、前記膨張機への水素の供給を遮断し、かつ前記バイパス経路へ水素を供給する第１閉状態、及び前記膨張機と前記バイパス経路との双方への供給を遮断する第２閉状態を有する三方弁とした
    請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記供給経路における前記バイパス経路の他端が連結された下流側部分と前記膨張機との間に、前記膨張機により減圧膨張された水素と、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水との間で熱交換を行う熱交換器を更に備えた
    請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記冷却水の温度を測定する温度センサを更に備え、
    前記制御部は、前記温度センサにより測定された温度が、予め定められた温度閾値以下の場合に、前記流量調整部を前記第１閉状態に切り替える制御を行う
    請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記減圧部は、前記供給経路における前記バイパス経路の他端が連結された下流側部分と前記膨張機との間に設けられ、
    前記膨張機と前記流量調整部との間に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧させる第２減圧部と、
    前記バイパス経路に設けられ、前記燃料電池スタックへ供給される水素を減圧させる第３減圧部と、
    前記下流側部分と前記燃料電池スタックとの間に設けられたインジェクタと、
    を更に備えた請求項４から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記減圧部は、前記供給経路における前記バイパス経路の他端が連結された下流側部分と前記膨張機との間に設けられ、
    前記流量調整部と前記水素タンクとの間に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧させる第２減圧部と、
    前記バイパス経路に設けられたインジェクタと、
    を更に備えた請求項４から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路に設けられ、前記燃料電池スタックへ供給される水素を減圧させる減圧部と、前記供給経路における前記減圧部の上流側に設けられ、前記水素タンクから供給される水素を減圧膨張させる膨張機と、前記供給経路における前記膨張機の上流側に設けられ、前記膨張機へ水素の供給を行う開状態と、前記膨張機への水素の供給を遮断するか又は水素の供給量を前記開状態の場合よりも減少させる閉状態と、の何れかの状態に切り替え可能な流量調整部を制御する制御装置であって、
    前記供給経路における前記膨張機の上流側の第１圧力に対する下流側の第２圧力の圧力差が第１閾値未満となった場合、又は前記第１圧力に対する前記第２圧力の圧力比が第２閾値以上となった場合に、前記流量調整部を前記閉状態に切り替える制御を行う制御部
    を含む制御装置。
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