JP2013246935A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の排水性を向上させてフラッディングを好適に防止し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路ａ１〜ａ３と、燃料電池１０から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路ａ４，ａ６〜ａ８と、燃料オフガス排出流路に配設され、燃料オフガスを排出する第１インジェクタ２９と、を備えて構成する。第１インジェクタ２９の作動による間欠的排気によって、燃料電池１０の差圧をより高くして、燃料電池１０の排水性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の排水性を向上させ、フラッディングを好適に防止可能な燃料電池システムに関する。

燃料電池を運転する際には、局部的に発生するガス不足等、燃料電池の状態悪化を検出して、過電流等により燃料電池が損傷するのを事前に防止し、十分な出力が取り出せるように燃料電池の状態を回復させることが有効とされている。例えば、特許文献１では、セル電圧が所定電圧以下となったことを検出した場合には燃料電池の発電を制限して、過度な電力取り出しによるさらなる電圧低下を事前に防止する手法が提案されている。

また他方で、燃料電池の発電安定性を向上させるために、燃料オフガスの排出流路にパージ弁（排気手段）とドレイン弁（排水手段）を配設し、燃料電池の負荷（発電電流）に応じた所定インターバル毎に開弁するものがある。例えば、特許文献２では、発電電圧が所定電圧より低下したとき、ドレイン弁による排出よりもパージ弁による排出を優先させることにより、早期に発電電圧を回復させる手法が提案されている。

特開２００４−１５２６０４号公報 特開２００７−１７２９１３号公報

燃料電池システムの運転時には、燃料電池内で水が生成されるが、この生成水により新たな水素ガスの流れや拡散を阻害されることを防止するため、生成水を好適に排出してフラッディングを防止し、セル電圧の低下を防止することが望まれている。

そこで、本発明は、燃料電池の排水性を向上させてフラッディングを好適に防止し得る燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に配設され、燃料オフガスを排出する第１インジェクタと、を備えることを特徴とする。

このように、燃料オフガスを排出する手段として第１インジェクタを用いることで、該第１インジェクタの作動により間欠的な排気が行われ、燃料電池のアノード流路内では間欠的に燃料ガスの置換が行われる。その結果、間欠的にアノード圧力が低下するので、燃料ガス圧力に間欠的な圧力変動、即ち圧力脈動が発生することとなる。さらにその結果として、燃料電池の差圧（アノード流路の入口と出口との圧力差）がより高いものとなって、燃料電池の排水性を向上させることができ、フラッディングを好適に防止できる。また、開閉弁を用いる場合に比べて１回当たりの燃料オフガスの排出量が少ないため、排出量を細かくコントロールすることができる。さらに、開閉弁を用いる場合に比べて応答遅れがより小さいので、閉弁が遅れることにより燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを防止できる。

また、前記第１インジェクタにより排出された燃料オフガスを、排出可能濃度となるまで希釈する希釈手段と、前記希釈手段に導入される希釈ガス量に基づき該希釈手段に導入可能な燃料オフガス量を排出可能ガス量として推定する排出可能ガス量推定手段と、前記排出可能ガス量推定手段により推定された排出可能ガス量に基づき前記第１インジェクタのデューティ比を設定する排気デューティ設定手段と、燃料オフガスの排気が必要とされるとき、前記排気デューティ設定手段により設定されたデューティ比で前記第１インジェクタを作動させる排気実行手段と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、希釈できるだけの燃料オフガスを排出するので、希釈ガスを不必要に増加させる必要がない。

また、前記第１インジェクタの下流に配設され、前記燃料オフガス排出流路を通流する燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段の下流に配設されるオリフィスと、前記圧力検知手段の検出値に基づき、前記第１インジェクタの故障を検知する故障検知手段と、を備えることが好ましい。

このように、第１インジェクタの下流に、圧力検知手段、オリフィスの順に配設する構成とすることにより、第１インジェクタの故障検知を精度良く行うことができる。

また、前記燃料オフガス排出流路に配設されて、燃料オフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段と、前記気液分離手段で分離された水分を排出する第２インジェクタと、を備え、前記第１インジェクタは、前記気液分離手段で水分を分離した後の燃料オフガスを排出することが好ましい。

このように、燃料オフガスに含まれる水分を排出する手段として第２インジェクタを用いることで、該第２インジェクタ作動時に脈動が生じ、排水が促進されるため、フラッディンングを好適に防止できる。また、ＰＷＭ制御における１周期当たりの開弁時間を細かく制御することができ、１回の第２インジェクタの作動による排水量もより正確に推定することができるので、きめ細かく排水制御を行うことができ、より適切な排水を行うことができる。

また、前記燃料電池の発電電流に基づき生成水量を推定する生成水量推定手段と、前記生成水量推定手段により推定された生成水量に基づき前記第２インジェクタのデューティ比を設定する排水デューティ設定手段と、前記生成水量推定手段により推定された生成水量が排水実行閾値を超えたとき、前記排水デューティ設定手段により設定されたデューティ比で前記第２インジェクタを作動させる排水実行手段と、を備えることが好ましい。

また、生成水量推定手段による推定生成水量に基づく判断で、第２インジェクタを作動させるので、気液分離器に水位センサを備えずとも排水を行うことができる。

また、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの下流に配設され、前記燃料オフガス排出流路を通流する燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段の下流に配設されるオリフィスと、前記圧力検知手段の検出値に基づき、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの故障を検知する故障検知手段と、を備えることが好ましい。

このように、第１インジェクタ及び第２インジェクタの下流に、圧力検知手段、オリフィスの順に配設する構成とすることにより、第１インジェクタ及び第２インジェクタの故障検知を精度良く行うことができる。

また、当該燃料電池システムに対する停止要求があったとき、前記燃料電池の掃気が必要か否かを判断する掃気要否判断手段と、前記掃気要否判断手段により前記燃料電池の掃気が必要であると判断された場合に、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの両方を作動させる停止制御手段と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、燃料電池システムの停止要求時に、環境温度が例えば氷点下である、或いは氷点下になるおそれがあるなど、掃気が必要な場合には、第１インジェクタ及び第２インジェクタの両方を作動させて掃気処理を行うので、燃料電池の排水性をさらに向上させることができ、結果として、燃料電池システムの次回の起動性及び発電性が低下することを防止することができる。

また、当該燃料電池システムの起動時に、低温起動が必要か否かを判定する低温起動判定手段と、前記低温起動判定手段により低温起動が必要であると判定された場合に、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタへ電流を供給し続ける起動制御手段と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、燃料電池システムの低温起動時に、第１インジェクタ及び第２インジェクタへ電流を供給し続けるので、インジェクタは小型で且つソレノイドが駆動軸に近い構造を持ち解凍され易いことから、開閉弁を用いる場合に比べて自己発熱による暖機運転時間をより短くすることができる。

また、前記燃料ガス供給流路に配設されて、燃料ガスを供給する第３インジェクタ、を備え、前記第３インジェクタを開制御から閉制御に切り替えるタイミングから所定時間経過後に、前記第１インジェクタを閉制御から開制御に切り替えることが好ましい。

このような構成によれば、第３インジェクタの閉制御への切り替えに伴う差圧増加分に、第１インジェクタの開制御への切り替えに伴う差圧増加分を重畳させることができ、低負荷運転時であっても、燃料電池の差圧をより高くして、燃料電池の排水性を向上させることができる。

本発明により、燃料電池の排水性を向上させてフラッディングを好適に防止し得る燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第２インジェクタ作動制御の手順を説明するフローチャートである。 第１インジェクタ作動制御の手順を説明するフローチャートである。 第１インジェクタ及び第２インジェクタの故障検知の手順を説明するフローチャートである。 図２乃至図４のフローチャートで参照される各種マップを例示する説明図である。 第１インジェクタ及び第２インジェクタの故障判定を説明する説明図であり、（ａ）は閉故障判定、（ｂ）は開故障判定である。 停止制御の手順を説明するフローチャートである。 低温起動制御の手順を説明するフローチャートである。 各種燃料ガス供給方法に応じた差圧と電流密度との関係を例示する説明図である。 （ａ）第１実施形態の第１インジェクタの開閉制御と、（ｂ）比較例のパージ弁の開閉制御とを対比して説明する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第２実施形態における第１インジェクタ及び第３インジェクタの開閉制御を説明する説明図である。

次に、本発明の実施形態について、第１実施形態、第２実施形態の順に適宜図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、共通する部分には同一の符号を附し重複した説明を省略する。なお、以下では、本発明の燃料電池システムを車両に搭載した態様を一例として説明する。

〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系４０、掃気系、検出系、制御部７０などで構成されている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。

ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノード及びカソード等で挟持した構造を有している。セパレータには、燃料ガス（反応ガス；水素）が通流するアノード流路１１及び酸化剤ガス（反応ガス；空気）が通流するカソード流路１２がそれぞれ形成されている。アノード流路１１は、単セルの積層方向に貫通して各アノードに水素を分配供給する水素導入連通路と、アノードに対向する面に形成された流路と、単セルの積層方向に貫通して各アノードから燃料オフガス（水素など）を集合排出する水素導出連通路とで構成されている。カソード流路１２は、単セルの積層方向に貫通して各カソードに空気を分配供給する空気導入連通路と、カソードに対向する面に形成された流路と、各単セルの積層方向に貫通して各カソードから酸化剤オフガス（湿潤な空気など）を集合排出する空気導出連通路とで構成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されることにより、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。また、燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、燃料電池１０では、発電する際に、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して水が生成される。水分はカソードで生成され、カソード流路１２内に滞留すると共に、カソードからアノードへ拡散し、アノード流路１１内に滞留する。

＜アノード系＞
また、アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガス（水素）を給排する系であり、燃料ガス供給系２１、常閉型の遮断弁２２、エゼクタ２３、気液分離器（気液分離手段）２５、電子制御式の第１インジェクタ２９、電子制御式の第２インジェクタ２８、オリフィス３１、配管ａ１〜ａ８などで構成されている。

燃料ガス供給系２１は、高純度の水素を高圧で圧縮した水素タンク等であり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁２２と接続されている。また、遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ２を介して下流側のエゼクタ２３と接続されている。

また、エゼクタ２３は、配管（燃料ガス供給流路）ａ３を介して水素ガスを燃料電池１０に供給すると共に、配管ａ５を介して燃料電池１０から排出された未反応の水素を含む燃料オフガスを吸引し、アノードに戻して再循環させる。

燃料電池１０のアノードで未反応の燃料ガスや生成・滞留する水分等は、燃料オフガスとして、燃料電池１０のアノード流路１１から排出される。気液分離器２５は、この排出された燃料オフガスを、重力を利用して主に水素と水分に分離し、分離した水分（液滴）を貯める貯留空間を有している。また、気液分離器２５には、アノード流路１１から燃料オフガスの流れに同伴して排出された生成水（液滴）も貯留空間内に溜められる。

気液分離器２５に貯留される水分は、第２インジェクタ２８が作動して開弁されると、希釈器５３を経由して、燃料電池システム１の外部に排出される。他方、水分分離後の燃料オフガスは、第１インジェクタ２９が作動して開弁されると、希釈器５３を経由して、燃料電池システム１の外部に排出される。

また、水分分離後の燃料オフガスは、第１インジェクタ２９の閉弁時には、エゼクタ２３で発生する負圧によりエゼクタ２３に吸引され、燃料電池１０のアノード流路１１に戻される。このような、いわゆるアノード循環により、未反応の燃料ガスを減らし、燃料ガスの反応効率を高めている。

第２インジェクタ２８は、前記の通り、気液分離器２５に溜まった生成水を外に排出する排水用の開閉弁であり、配管ａ６を介して気液分離器２５と接続され、配管ａ８を介して後記する希釈器５３と接続されている。なお、第２インジェクタ２８が作動するタイミング及び該作動時のＰＷＭ制御におけるデューティ比の設定は、後記するように制御部７０によって行われる。

また、第１インジェクタ２９は、気液分離器２５の水分分離後の燃料オフガスを外に排出する排水用の開閉弁であり、配管ａ７を介して気液分離器２５と接続され、配管ａ８を介して後記する希釈器５３と接続されている。なお、第１インジェクタ２９が作動するタイミング及び該作動時のＰＷＭ制御におけるデューティ比の設定は、後記するように制御部７０によって行われる。

＜カソード系＞
カソード系４０は、燃料電池１０のカソードに対して酸化剤ガスを給排する系であり、エアフローセンサ４２、エアポンプ４１、加湿器４４、第１封止弁４６、第２封止弁４５、希釈器（希釈手段）５３、配管ｂ１〜ｂ４などで構成されている。

エアフローセンサ４２は、大気圧Ｐａｔｍ及び取り込むエア量Ｑａｉｒを検知して制御部７０に出力する。また、エアポンプ４１は、空気（エア；外気）を酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソードに供給する。このエアポンプ４１は、配管ｂ１を介して加湿器４４と接続されている。

加湿器４４は、エアポンプ４１から配管ｂ１を介して供給される酸化剤ガス（低湿潤ガス）を、燃料電池１０のカソードから排出された酸化剤オフガス（高湿潤ガス）によって加湿するものである。加湿器４４には、例えば、複数の中空糸膜（水分交換膜）が束ねられた中空糸膜束が収容されたケース（不図示）に、エアポンプ４１からの乾燥した酸化剤ガスの出入口および酸化剤オフガスの出入口を設けた公知の技術を採用できる。このような加湿器４４では、エアポンプ４１から供給された酸化剤ガス（低湿潤ガス）が、加湿器４４の中空糸膜の一面側を流通し、燃料電池１０から排出された酸化剤オフガス（高湿潤ガス）が中空糸膜の他面側を流通することにより、酸化剤ガス（低湿潤ガス）が加湿される。

未加湿の酸化剤ガスは乾燥しているのでカソードから水分を奪い乾燥させる傾向があるが、酸化剤ガスを加湿することで、カソードの乾燥を防止することができる。酸化剤ガスが増量されると乾燥する方向に向かう。なお、酸化剤オフガスは、加湿器４４、希釈器５３を経由して、燃料電池システム１の外部に排出される。

また、第１封止弁４６は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、燃料電池１０の空気供給側を締め切る（封止する）機能を有する。第２封止弁４５は、同様な電磁作動式の開閉弁であり、燃料電池１０の空気排出側を締め切る（封止する）機能を有する。したがって、第１封止弁４６と第２封止弁４５とがそれぞれ閉じられることにより、燃料電池１０のカソード（カソード流路１２）が封止されるようになっている。

なお、燃料電池１０のカソードの封止は、例えば、燃料電池１０の発電停止時に発生するおそれのあるクロスリークに伴うＯＨラジカル（ヒドロキシルラジカル）の発生を抑止して、燃料電池１０の耐久性を向上させたい場合などに行われる。

また、希釈器５３は、発電時において、アノード循環経路から第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８を介して排出された燃料オフガスを滞留させる滞留空間を有し、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８の開弁時に排出された燃料オフガスに含まれる水素を規定の水素濃度以下となるように酸化剤オフガスで希釈した後、外に排出する。

＜掃気系＞
掃気系は、燃料電池１０のアノード流路１１に対してエアポンプ４１からの掃気ガス（空気）を供給する系である。すなわち、掃気ガス導入弁２４及び掃気ガス導入路（配管ｂ５及びｂ６）を備え、配管ｂ１から分岐した配管ｂ５が掃気ガス導入弁２４の入口側に接続され、掃気ガス導入弁２４の出口側に接続されている配管ｂ６が燃料ガス供給流路（配管ａ３）に接続されている。

＜検出系＞
第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の下流側には、配管（燃料オフガス排出流路）ａ６の圧力を検知する圧力センサ（圧力検知手段）３２が配設されている。圧力センサ３２による検出圧力は制御部７０に出力され、後記するように、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の故障検知に用いられる。また、圧力センサ３２の下流側にはオリフィス５３が配設されている。オリフィス５３で流路断面積を小さくすることによって、故障検知の精度を高めている。

また、燃料電池システム１には、燃料電池１０の発電状態を計測する発電状態計測装置が設けられている。発電状態計測装置には、燃料電池５の出力電流を計測する電流計３３を含み、また、燃料電池１０の温度を計測する温度計（不図示）や、燃料電池１０の出力電圧を計測する電圧計（不図示）などの各種センサを含んでいても良い。これら電流計３３及び各種センサの検出結果は制御部７０に出力される。

＜その他機器＞
ＩＧ−ＳＷ６１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ−ＳＷ６１は制御部７０と接続されており、制御部７０はＩＧ−ＳＷ６１のオン信号（システム起動信号）、オフ信号（システム停止信号）を検知するようになっている。

また、アクセル開度センサ６２は、アクセルペダル（不図示）の踏み込み量であるアクセル開度を検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ６２は、アクセル開度を制御部７０に出力するようになっている。

＜制御部＞
また、制御部７０は、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサ、プログラムや各種データを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリなどで構成され、第１インジェクタ２９、第２インジェクタ２８等の各種弁の開閉制御や開度調節、或いは、エアポンプ４１等の各モータの回転速度を調節する。

制御部７０は、生成水量推定手段７１、排水デューティ設定手段７２、排水実行手段７３、排出可能ガス量推定手段７４、排気デューティ設定手段７５、排気実行手段７６、故障検知手段７７、掃気要否判断手段８１、停止制御手段８２、低温起動判定手段８３及び起動制御手段８４を備えている。なお、これらは、前記プロセッサ上で実行されるプログラムの機能的まとまりとして具現されるものである。

＜制御部−第２インジェクタ作動制御機能＞
制御部７０は、第２インジェクタ２８の作動を制御して排水制御を行う機能を備えている。すなわち、生成水量推定手段７１は、電流計３３によって検出された燃料電池１０の発電電流Ｉと図５（ａ）のマップＭＡＰ１とに基づき生成水量Ｑｗａｔｅｒを推定する。図５（ａ）のマップＭＡＰ１は、発電電流Ｉに対する生成水量Ｑｗａｔｅｒの関係を示すものであり、予め行われる予備実験やシミュレーション等によって求められ、制御部７０のメモリに、例えば対応テーブル形式で記憶されている。なお、発電電流Ｉが大きくなるにつれて、生成水量Ｑｗａｔｅｒが大きくなる関係を持つ。

また、排水デューティ設定手段７２は、生成水量推定手段７１により推定された生成水量Ｑｗａｔｅｒに基づき第２インジェクタ２８のデューティ比を設定する。ここで、デューティ比は、オンデューティの場合、第２インジェクタ２８のＰＷＭ制御における１周期時間に対するオン（開制御）時間の比である。

また、排水実行手段７３は、生成水量推定手段７１により推定された生成水量が排水実行閾値を超えたとき、排水デューティ設定手段７２により設定されたデューティ比で第２インジェクタ２８を作動させる。より具体的には、排水デューティ設定手段７２により、ＰＷＭ制御における１周期あたりのオン時間が求められて、該オン時間がタイマ等に設定され、排水実行手段７３により、各周期の所定タイミングからオン時間の間、第２インジェクタ２８が開制御されることとなる。

＜制御部−第１インジェクタ作動制御機能＞
また、制御部７０は、第１インジェクタ２９の作動を制御して排気制御を行う機能を備えている。すなわち、排出可能ガス量推定手段７４は、希釈器５３に導入される希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘと図５（ｂ）のマップＭＡＰ２とに基づき該希釈器５３に導入可能な燃料オフガス量を排出可能水素量（排出可能ガス量）Ｈ２ＤＩＬとして推定する。

図５（ｂ）のマップＭＡＰ２は、希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘに対する排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬの関係を示すものであり、予め行われる予備実験やシミュレーション等によって求められ、制御部７０のメモリに記憶されている。なお、希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘが大きくなるにつれて、排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬが大きくなる関係を持つ。
なお、希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘは、エア量Ｑａｉｒから燃料電池１０の発電電流Ｉに基づく酸素消費量を差し引いたものとして算出される。

また、排気デューティ設定手段７５は、排出可能ガス量算出手段７４により算出された排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬと図５（ｃ）のマップＭＡＰ３とに基づき第１インジェクタ２９のデューティ比を設定する。図５（ｃ）のマップＭＡＰ３は、排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬに対する第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴの関係を示すものであり、予め行われる予備実験やシミュレーション等によって求められ、制御部７０のメモリに記憶されている。なお、第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴは、第１インジェクタ２９のＰＷＭ制御における１周期あたりのオン（開制御）時間を示すもので、排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬが大きくなるにつれて、第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴが大きくなる関係を持つ。

また、排気実行手段７６は、燃料ガスの排気が必要とされるとき、排気デューティ設定手段７５により設定されたデューティ比で第１インジェクタ２９を作動させる。ここで、燃料ガスの排気が必要とされるときは、例えば、燃料電池１０のセル電圧が許容される最低セル電圧を下回ったときや、アノードの窒素濃度が上昇すると推定されるときなどである。また、排気の実行は、より具体的には、排気デューティ設定手段７５により第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴが求められて、該第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴがタイマ等に設定され、排気実行手段７６により、各周期の所定タイミングから第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴの間、第１インジェクタ２９が開制御されることとなる。

＜制御部−第１及び第２インジェクタ故障検知機能＞
また、制御部７０は、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の故障を検知する機能を備えている。すなわち、故障検知手段７７は、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔに基づき、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の故障を検知する。

より具体的に、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の閉故障の検知について、図６（ａ）を参照して説明する。図６（ａ）は閉故障の判定を説明する説明図であり、下側に第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８に対して出力される開閉制御信号を、上側に圧力センサ３２で検出される検出値をそれぞれ示す。ここで、閉故障としては、開閉機構の動作不良等によって開いたままの状態、或いは完全に閉じきれない状態となる故障、シール等の付属部品が劣化することにより生じた隙間から漏れ出す故障等が考えられる。

第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８に故障が無く正常である場合、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔは、閉弁時には、ほぼ大気圧Ｐａｔｍとなり、また、開弁時には、アノード作動圧Ｐａｎに応じた圧力値となる。なお、これは定常状態における値であり、過渡的には、開弁から閉弁への切り替えタイミング、または閉弁から開弁への切り替えタイミングにおいて、それぞれ時間遅れを伴って前記定常状態における大気圧Ｐａｔｍ、またはアノード作動圧Ｐａｎに応じた圧力値に近づいていく（図６（ａ）中の実線を参照）。

また、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８に閉故障がある場合には、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８を通した燃料オフガス及び／または生成水の流れが有るので、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔは大気圧Ｐａｔｍにまで下がりきれない状態となる（図６（ａ）中の破線を参照）。

したがって、大気圧Ｐａｔｍに誤検知防止閾値Ｐｓ１を加えた閉故障判定閾値Ｐ２を設定しておき、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８が閉制御されているにも関わらず、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔが閉故障判定閾値Ｐ２を超えるとき、故障検知手段７７は閉故障であると判定する。ここで、誤検知防止閾値Ｐｓ１は少なくとも大気圧の変動が吸収されるものであることが望ましい。

次に、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の開故障の検知について、図６（ｂ）を参照して説明する。図６（ｂ）は開故障の判定を説明する説明図であり、下側に第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８に対して出力される開閉制御信号を、上側に圧力センサ３２で検出される検出値をそれぞれ示す。ここで、開故障としては、開閉機構の動作不良等によって閉じたままの状態、或いは完全に開ききれない状態となる故障、シール等の付属部品が劣化することによりインジェクタ内流路における流れを妨げる故障等が考えられる。

また、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８に開故障がある場合には、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８を通した燃料オフガス及び／または生成水の流れが開弁時（正常）よりは減少するので、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔはアノード作動圧Ｐａｎに応じた圧力値にまで上がりきれない状態となる（図６（ｂ）中の破線を参照）。

したがって、アノード作動圧Ｐａｎと図５（ｄ）のマップＭＡＰ４とに基づき開故障判定閾値Ｐ１を求め、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８が開制御されているにも関わらず、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔが開故障判定閾値Ｐ１未満のとき、故障検知手段７７は開故障であると判定する。

なお、アノード作動圧Ｐａｎは、例えば、燃料電池１０の発電電流Ｉに対するアノード作動圧Ｐａｎの関係（発電電流Ｉが大きくなるにつれてアノード作動圧Ｐａｎが大きくなる）をマップとして予め用意して、該マップを参照して求めれば良い。

また、図５（ｄ）のマップＭＡＰ４は、アノード作動圧Ｐａｎに対する開故障判定閾値Ｐ１の関係を示すものであり、予め行われる予備実験やシミュレーション等によって求められ、制御部７０のメモリに記憶されている。なお、アノード作動圧Ｐａｎが大きくなるにつれて開故障判定閾値Ｐ１が大きくなる関係を持つ。

＜制御部−停止要求時の掃気制御機能＞
また、制御部７０は、停止要求時に掃気処理の実行を制御する機能を備えている。すなわち、掃気要否判断手段８１は、当該燃料電池システム１に対する停止要求があったとき、燃料電池１０の掃気が必要か否かを判断する。掃気が必要な場合としては、環境温度が氷点下であるとき、或いは氷点下になるおそれがあるときなどであり、燃料電池１０のアノード流路１１（及びカソード流路１２）の残留水の凍結を未然に防ぎたい場合である。したがって、掃気の要否判断は、例えば燃料電池１０の温度を計測する温度計（不図示）の検出温度が所定温度未満か否かの判断に基づき行うようにすれば良い。

停止制御手段８２は、掃気要否判断手段８１により燃料電池１０の掃気が必要であると判断された場合に、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の両方を作動させて掃気処理を行う。具体的には、例えば、排水デューティ設定手段７２及び排気デューティ設定手段７５によって、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８のそれぞれのデューティ比を１００％に設定する。そして、掃気ガス導入弁２４を開弁すると共に、排水実行手段７３及び排気実行手段７６によって、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８をそれぞれ作動させる。

＜制御部−低温起動制御機能＞
また、制御部７０は、低温起動を制御する機能を備えている。すなわち、低温起動判定手段８３は、当該燃料電池システム１の起動時に、低温起動であるか否かを判定する。起動制御手段８４は、低温起動判定手段８３により低温起動であると判断された場合に、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８へ電流を供給し続ける。具体的には、例えば、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８のそれぞれのデューティ比を１００％に設定して、所定時間の間、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８をそれぞれ作動させ続ける。

次に、以上のような構成要素を備えた燃料電池システム１の動作・効果について、図２乃至図８を参照して説明する。

＜第２インジェクタ作動制御＞
まず、第２インジェクタ２８の作動制御について図２を参照して説明する。ここで、図２は第１実施形態における第２インジェクタ２８の作動制御手順を説明するフローチャートである。なお、図２の処理を開始する前の初期状態として、ＩＧ−ＳＷ６１はオンされ、燃料電池１０に対して燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されており、燃料電池１０は発電している。また、図２の処理は、所定周期の間隔で定期的に、或いは、当該処理が終了して所定時間（時間ゼロを含む）が経過した後に、再び繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１において、制御部７０は、電流計３３から燃料電池１０の発電電流Ｉを読み込む。そして、ステップＳ１０２において、生成水量推定手段７１は、メモリのマップＭＡＰ１（図５（ａ））を参照して、取得した燃料電池１０の発電電流Ｉに応じた生成水量Ｑｗａｔｅｒを推定する。

次に、生成水量推定手段７１は、ステップＳ１０３において、生成水量Ｑｗａｔｅｒを積算して積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲを求め、ステップＳ１０４において、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水上限閾値Ｑ１を超えたか否かを判断する。積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水上限閾値Ｑ１以下である場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に戻り、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水上限閾値Ｑ１を超えた場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０５に進む。

つまり、気液分離器２５の貯留空間に溜められている水量を積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲで推定して、該推定積算水量（ＳＵＭＱＷＡＴＥＲ）が第２インジェクタ２８の作動による排水を実行すべき閾値（排水上限閾値Ｑ１）を超えたときに、ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４で構成される第１ループを抜けることになる。なお、ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４で構成される第１ループは、連続的に実行しても良いが、より正確に積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲを求めるためには所定サンプリング周期で断続的に実行するのが望ましい。

次に、ステップＳ１０５において、排水デューティ設定手段７２は、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲに基づき第２インジェクタ２８のデューティ比を設定する。ここで、デューティ比はオンデューティであり、より具体的には、第２インジェクタ２８のＰＷＭ制御における１周期あたりのオン（開制御）時間（第２インジェクタＴｉ値）を設定する。

ここで、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲに対する第２インジェクタＴｉ値の関係は、予め行われる予備実験やシミュレーション等によって求めることができる。すなわち、これをマップとしてメモリに記憶しておき、該マップを参照することにより第２インジェクタＴｉ値を設定する。或いは、ステップＳ１０５の実行は積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水上限閾値Ｑ１を超えたときに行われることから、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲを（既知である）排水上限閾値Ｑ１と見なすことができるので、排水上限閾値Ｑ１に応じた第２インジェクタＴｉ値を予め求めておき、ステップＳ１０５ではその第２インジェクタＴｉ値をそのまま用いるようにしても良い。

次に、ステップＳ１０６において、排水実行手段７３は、ステップＳ１０５で排水デューティ設定手段７２により設定されたデューティ比（第２インジェクタＴｉ値）のＰＷＭ制御により第２インジェクタ２８を作動させる。より具体的には、第２インジェクタＴｉ値がタイマ等に設定され、ＰＷＭ制御における各周期の所定タイミングから第２インジェクタＴｉ値の間、第２インジェクタ２８が開制御されることとなる。

次に、ステップＳ１０７では、排水実行手段７３は、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲから第２インジェクタ２８の作動によって排出された排水量分を減算して、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲを更新する。ここで、第２インジェクタ２８の作動によって排出された排水量分は、ステップＳ１０６乃至Ｓ１０９で構成されるループを第２ループとするとき、前回の第２ループにおけるステップＳ１０７の実行タイミングから今回の第２ループにおけるステップＳ１０７の実行タイミングまでの間に第２インジェクタ２８が開制御された回数に、１回の開制御で排出される排水量を掛け合わせて求めることができる。

次に、ステップＳ１０８において、排水実行手段７３は、圧力センサ３２から検出圧力値Ｐｏｕｔを取得して、水素排出判断閾値Ｐｓ２未満であるか否かを判断する。第２インジェクタ２８の作動によって気液分離器２５の貯留水を排出している間は、検出圧力値Ｐｏｕｔはオリフィス５３の圧損によって相対的に高いが、気液分離器２５の貯留水がほぼ排出されて、水分分離後の燃料オフガス（水素）が排出されるようになると、検出圧力値Ｐｏｕｔは相対的に低くなる。そこで、これら２つの状態を区別する閾値として水素排出判断閾値Ｐｓ２を設定し、検出圧力値Ｐｏｕｔが水素排出判断閾値Ｐｓ２未満となったとき（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、排水実行手段７３は、第２インジェクタ２８の作動によって水素が排出される状態になったと判断して、第２インジェクタ２８の作動を終了することとしている。

また、ステップＳ１０８の第１の終了判断で、検出圧力値Ｐｏｕｔが水素排出判断閾値Ｐｓ２以上であるとき（Ｓ１０８：Ｎｏ）には、ステップＳ１０９に進んで第２の終了判断を行う。すなわち、排水実行手段７３は、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水下限閾値Ｑ２未満であるか否かを判断する。ここで、排水下限閾値Ｑ２は気液分離器２５の構造等に応じて予め設定される。

つまり、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲに基づき気液分離器２５の貯留水が排水下限閾値Ｑ２未満になったと推定されるとき（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）には、第２インジェクタ２８の作動を終了する。また、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水下限閾値Ｑ２以上のとき（Ｓ１０９：Ｎｏ）には、ステップＳ１０６に戻って第２ループを繰り返す。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、生成水量推定手段７１によって、燃料電池１０の発電電流Ｉに基づき生成水量Ｑｗａｔｅｒを推定して（ステップＳ１０２）、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲを求める（ステップＳ１０３）。そして、排水デューティ設定手段７２によって、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲに基づき第２インジェクタのデューティ比を設定する（ステップＳ１０５）。さらに、積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲが排水実行閾値Ｑ１を超えたとき（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、排水実行手段７３によって第２インジェクタ２８を作動させる（ステップＳ１０６）。

このように、排水手段として第２インジェクタ２８を用いるので、ＰＷＭ制御における１周期当たりの開弁時間を細かく制御することができ、１回の第２インジェクタ２８の作動による排水量もより正確に推定することができるので、きめ細かく排水制御を行うことができ、より適切な排水を行うことができる。また、生成水量推定手段７１による推定・演算によって求めた積算水量ＳＵＭＱＷＡＴＥＲに基づく判断で、第２インジェクタ２８を作動させるので、気液分離器２５に水位センサを備えずとも排水を行うことができる。

＜第１インジェクタ作動制御＞
次に、第１インジェクタ２９の作動制御について図３を参照して説明する。ここで、図３は第１実施形態における第１インジェクタ２９の作動制御手順を説明するフローチャートである。なお、図３の処理を開始する前の初期状態は、燃料電池１０が発電している状態である。また、図３の処理は、所定周期の間隔で定期的に、或いは、当該処理が終了して所定時間（時間ゼロを含む）が経過した後に、再び繰り返し実行される。

まずステップＳ２０１において、制御部７０は、エアフローセンサ４２からエア量Ｑａｉｒを、電流計３３から燃料電池１０の発電電流Ｉをそれぞれ読み込む。そして、ステップＳ２０２において、排出可能ガス量推定手段７４は、希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘをエア量Ｑａｉｒ及び発電電流Ｉに基づき算出する。

次に、ステップＳ２０３において、排出可能ガス量推定手段７４は、メモリのマップＭＡＰ２（図５（ｂ））を参照して、希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘに応じた排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬを推定する。そして、ステップＳ２０４において、排気デューティ設定手段７５は、メモリのマップＭＡＰ３（図５（ｃ））を参照して、排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬに応じた第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴを設定する。

次に、ステップＳ２０５において、排気実行手段７６は、水素（燃料ガス）の排気が必要か否かを判断する。例えば、水素（燃料ガス）の排気を定期的に行う場合には、排気の実行タイミングになった時に排気要求フラグが立てられるようにしておき、排気実行手段７６は該排気要求フラグを参照して判断するようにすれば良い。また、第２インジェクタ２８の作動制御手順の第１の終了判断（図２：ステップＳ１０８参照）において、検出圧力値Ｐｏｕｔが水素排出判断閾値Ｐｓ２未満となったとき（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）にも、排気要求フラグが立てられるようにしても良い。ステップＳ２０５の判断は、水素の排気が必要であると判断される（Ｓ２０５：Ｙｅｓ）まで繰り返し行われる。

水素の排気が必要であると判断されたときには、ステップＳ２０６に進んで、排水実行手段７３は、ステップＳ２０４で排気デューティ設定手段７５により設定されたデューティ比（第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴ）のＰＷＭ制御により第１インジェクタ２９を作動させる。より具体的には、第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴがタイマ等に設定され、ＰＷＭ制御における各周期の所定タイミングから第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴの間、第１インジェクタ２９が開制御されることとなる。

なお、排水実行手段７３は、ＰＷＭ制御における周期を所定回数繰り返した後、第１インジェクタ２９の作動を停止して終了する。ここで、繰り返されるＰＷＭ制御周期の回数ｎは、１回の第１インジェクタ２９の作動で排出すべき目標排気量に基づき求めることができる。

すなわち、「第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴの時間に第１インジェクタ２９から排出される排気量×Ｎ＝目標排気量」の関係で求まるＮ（自然数）を超える最小の整数値をｎとすれば良い。このように、回数ｎは第１インジェクタＴｉ値ＩＮＪ１ＯＵＴが設定された段階（Ｓ２０４）で求められるので、この時に回数ｎを求めておき、ステップＳ２０６では、ＰＷＭ制御における周期を計数するカウンタがｎに達した段階で、第１インジェクタ２９の作動を停止して終了すれば良い。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、排出可能ガス量推定手段７４によって、希釈器５３に導入される希釈ガス量Ｑａｄｉｌｂｏｘに基づき該希釈器５３に導入可能な燃料オフガス量を排出可能ガス量（排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬ）として推定する（ステップＳ２０３）。そして、排気デューティ設定手段７５によって、排出可能水素量Ｈ２ＤＩＬに基づき第１インジェクタ２９のデューティ比を設定する（ステップＳ２０４）。さらに、燃料ガスの排気が必要とされるとき、排気実行手段７６によって、設定されたデューティ比で第１インジェクタ２９を作動させる（ステップＳ２０６）。

このように、排気手段として第１インジェクタ２９を用いるので、ＰＷＭ制御における１周期当たりの開弁時間を細かく制御することができ、１回の第１インジェクタ２９の作動による排気量もより正確に推定することができる。したがって、きめ細かく排気制御を行うことができ、より適切な排気を行うことができる。また、希釈ガス量に基づき排出可能濃度となるまで希釈可能な燃料オフガス量を推定して、第１インジェクタ２９の排出量が該燃料オフガス量となるよう、ＰＷＭ制御のデューティ比を調整するので、希釈ガスを不要に増加させる必要がない。

＜第１及び第２インジェクタ故障検知＞
次に、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の故障検知について図４を参照して説明する。ここで、図４は故障検知の手順を説明するフローチャートである。なお、図４の処理を開始する前の初期状態は、燃料電池１０が発電している状態である。また、図４の処理は、所定周期の間隔で定期的に実行される。

まずステップＳ３０１において、制御部７０は、圧力センサ３２から圧力検出値Ｐｏｕｔを読み込む。そして、ステップＳ３０２において、故障検知手段７７は、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８が開制御されているか否かを判断する。第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の何れか一方または両方が開制御されているとき（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０３以降の開故障判定フローに進む。また、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の両方が閉制御されているとき（Ｓ３０２：Ｎｏ）には、ステップＳ３１１以降の閉故障判定フローに進む。

開故障判定フローでは、故障検知手段７７は、まずステップＳ３０３において、メモリのマップＭＡＰ４（図５（ｄ））を参照して、アノード作動圧Ｐａｎに応じた開故障判定閾値Ｐ１を設定する。そして、ステップＳ３０４では、圧力検出値Ｐｏｕｔが開故障判定閾値Ｐ１未満であるか否かを判断する。

圧力検出値Ｐｏｕｔが開故障判定閾値Ｐ１以上であるとき（Ｓ３０４：Ｎｏ）には、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８は正常であるとして、何もせずに終了する。また、圧力検出値Ｐｏｕｔが開故障判定閾値Ｐ１未満であるとき（Ｓ３０４：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０５に進んで、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８が開故障していると判定して、ステップＳ３０６の停止制御を経て当該燃料電池システム１を停止する。

また、閉故障判定フローでは、故障検知手段７７は、まずステップＳ３１１において、大気圧Ｐａｔｍに誤検知防止閾値Ｐｓ１を加えた値を閉故障判定値Ｐ２として設定する。そして、ステップＳ３１２では、圧力検出値Ｐｏｕｔが閉故障判定閾値Ｐ２を超えているか否かを判断する。

圧力検出値Ｐｏｕｔが閉故障判定閾値Ｐ２以下であるとき（Ｓ３１２：Ｎｏ）には、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８は正常であるとして、何もせずに終了する。また、圧力検出値Ｐｏｕｔが閉故障判定閾値Ｐ２を超えているとき（Ｓ３１２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３１３に進んで、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８が閉故障していると判定して、ステップＳ３１４の停止制御を経て当該燃料電池システム１を停止する。

なお、以上説明した第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の故障検知手順では、開故障及び閉故障のそれぞれの判定を、ある時点におけるステップＳ３０４及びステップＳ３１２の１回の判断で行ったが、時間的要素を加えて判定を行うようにしても良い。

例えば、ステップＳ３０４またはステップＳ３１２の判断を、それぞれ所定期間の間、繰り返し実行して、それぞれの故障判断条件が連続して成立したときに、開故障または閉故障と判定する手法が考えられる。或いは、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８の作動におけるＰＷＭ制御の周期に同期させて、各周期の開制御のタイミングで図４のステップＳ３０１〜Ｓ３０４を、閉制御のタイミングで図４のステップＳ３０１，Ｓ３０２，Ｓ３１１，Ｓ３１２の処理を、それぞれ実行して、それぞれの故障判断条件が所定回数連続して成立したときに、開故障または閉故障と判定する手法も考えられる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の下流に、圧力センサ３２、オリフィス３１の順に配設する構成とし、故障検知手段７７によって、圧力センサ３２の圧力検出値Ｐｏｕｔに基づき、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の故障を検知する。

このように、開閉制御をデューティ比設定によりきめ細かく制御可能な第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８を対象とした故障検知であるため、故障検知のインターバルが短くなり、故障した場合でも素早く検知することができる。

なお、オリフィス３１の配置について、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の上流側に配置した構成について予備実験を行って対比したところ、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の下流側に配置した構成の方が、より精度良く故障検知を行うことができるという知見が得られている。

＜停止要求時の掃気制御＞
次に、停止要求時の掃気制御について図７を参照して説明する。ここで、図７は停止制御の手順を説明するフローチャートである。なお、図７の処理を開始する前の初期状態は、燃料電池１０が発電している状態である。

まずステップＳ４０１において、制御部７０は、燃料電池システム１に対する停止要求があったか否かを判断する。ここで、停止要求有りの判断は、ＩＧ−ＳＷ６１のオフ信号（システム停止信号）を検知することによって行われる。なお、ステップＳ４０１の判断は、停止要求有りと判断される（Ｓ４０１：Ｙｅｓ）まで繰り返し行われる。

次に、ステップＳ４０２において、掃気要否判断手段８１は、燃料電池１０の掃気が必要か否かを判断する。掃気の要否判断は、例えば、燃料電池１０の温度を計測する温度計（不図示）の検出温度が所定温度未満か否かの判断に基づき行う。掃気は不要であると判断したとき（Ｓ４０２：Ｎｏ）には、ステップＳ４０６の他の停止制御を処理するルーチンに進んで、該停止制御の実行後に終了する。

また、掃気が必要であると判断したとき（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ４０３に進んで、排水デューティ設定手段７２及び排気デューティ設定手段７５によって、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８のそれぞれのデューティ比を１００％に設定する。

そして、ステップＳ４０４において、エアポンプ４１を作動させ、掃気ガス導入弁２４を開弁すると共に、排水実行手段７３及び排気実行手段７６によって第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８をそれぞれ作動させて、掃気処理を実行する。なお、この掃気処理では、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８に対して実質的にＰＷＭ制御は行われず、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８は、掃気処理の期間中、開制御の状態が継続することとなる。

ステップＳ４０５では、ステップＳ４０４の掃気処理を開始してからの経過時間が所定時間に達したか否かを判断する。ステップＳ４０５の判断は、所定時間経過したと判断される（Ｓ４０５：Ｙｅｓ）まで繰り返し行われ、その間、掃気処理が継続して行われることとなる。

また、所定時間経過したと判断されたとき（Ｓ４０５：Ｙｅｓ）には、ステップＳ４０６の他の停止制御を処理するルーチンに進んで、該停止制御の実行後に終了する。ここで、ステップＳ４０６では、燃料電池１０の発電を停止し、エアポンプ４１の作動を停止するなどの処理を行う。なお、以上の一連の処理を経た後、所定周期で掃気の要否判断（ステップＳ４０２）を行って、掃気が必要な場合には掃気処理を行うようにしても良い。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、当該燃料電池システム１に対する停止要求があったとき（Ｓ４０１：Ｙｅｓ）、掃気要否判断手段８１によって燃料電池１０の掃気が必要か否かを判断し（ステップＳ４０２）、掃気が必要と判断された場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）に、停止制御手段８２によって第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の両方を作動させる。

このように、燃料電池システム１の停止要求時に、環境温度が氷点下である、或いは氷点下になるおそれがあるなど、掃気が必要な場合には、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８の両方を作動させて掃気処理を行うので、燃料電池１０の排水性をさらに向上させることができ、結果として、燃料電池システム１の次回の起動性及び発電性が低下することを防止することができる。

＜低温起動制御＞
次に、低温時の起動制御について図８を参照して説明する。ここで、図８は低温起動制御の手順を説明するフローチャートである。なお、図８の処理を開始する前の初期状態は、燃料電池システム１が停止している状態である。

まずステップＳ５０１において、制御部７０は、燃料電池システム１に対する起動要求があったか否かを判断する。ここで、起動要求有りの判断は、ＩＧ−ＳＷ６１のオン信号（システム起動信号）を検知することによって行われる。なお、ステップＳ５０１の判断は、起動要求有りと判断される（Ｓ５０１：Ｙｅｓ）まで繰り返し行われる。

次に、ステップＳ５０２において、低温起動判定手段８３は、低温起動が必要であるか否かを判断する。低温起動の要否判断は、例えば、燃料電池１０の温度を計測する温度計（不図示）の検出温度が所定温度未満か否かの判断に基づき行う。低温起動が不要であると判断したとき（Ｓ５０２：Ｎｏ）には、ステップＳ５０６の通常の運転制御を処理するルーチンに進む。

また、低温起動が必要であると判断したとき（Ｓ５０２：Ｙｅｓ）には、ステップＳ５０３に進んで、排水デューティ設定手段７２及び排気デューティ設定手段７５によって、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８のそれぞれのデューティ比を１００％に設定する。

そして、ステップＳ５０４において、排水実行手段７３及び排気実行手段７６によって第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８をそれぞれ作動させて、制御部７０は低温起動の運転制御を実行する。なお、この低温起動の運転制御時では、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８に対して実質的にＰＷＭ制御は行われず、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８は、低温起動の期間中、開制御の状態が継続することとなる。

ステップＳ５０５では、ステップＳ５０４の低温起動を開始してからの経過時間が所定時間に達したか否かを判断する。ステップＳ５０５の判断は、所定時間経過したと判断される（Ｓ５０５：Ｙｅｓ）まで繰り返し行われ、その間、低温起動の運転制御が継続して行われることとなる。また、所定時間経過したと判断されたとき（Ｓ５０５：Ｙｅｓ）には、ステップＳ５０６の通常の運転制御を処理するルーチンに進む。なお、通常の運転制御では、第２インジェクタ２８の作動制御は図２によって、第１インジェクタ２９の作動制御は図３によって、それぞれ行われることとなる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１では、当該燃料電池システム１の起動時に、低温起動判定手段８３によって低温起動が必要か否かを判定し（ステップＳ５０２）、低温起動が必要と判断された場合（Ｓ５０２：Ｙｅｓ）に、起動制御手段８４によって第１インジェクタ２８及び第２インジェクタ２９へ電流を供給し続ける（ステップＳ５０４）。

このように、燃料電池システム１の低温起動時に、第１インジェクタ２９及び第２インジェクタ２８へ電流を供給し続けるが、インジェクタは小型で且つソレノイドが駆動軸に近い構造を持ち解凍され易いことから、インジェクタでの発熱を促し、自己解凍を促進させることができる。その結果、開閉弁を用いる従来の構成に比べて、自己発熱による暖機運転時間をより短くすることができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料オフガスを排出する手段として第１インジェクタ２９を使用する。第１インジェクタ２９をＰＷＭ制御により作動させると、間欠的な排気が行われ、燃料電池１０のアノード流路１１内では間欠的に燃料ガスの置換が行われる。その結果、間欠的に燃料ガスの消費がされて燃料ガス圧力が低下するので、燃料ガス圧力に間欠的な圧力変動、即ち圧力脈動が発生することとなる。さらにその結果として、燃料電池１０の差圧（アノード流路１１の入口と出口との圧力差）がより高いものとなって、燃料電池１０の排水性を向上させることができ、フラッディングを好適に防止できる。また、従来の開閉弁を用いる構成に比べて１回の開閉制御（ＰＷＭ制御の１周期）当たりの排気量が少ないため、排気量を細かくコントロールすることができる。さらに、開閉弁を用いる場合に比べて応答遅れがより小さいので、閉弁が遅れることにより燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを防止できる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料オフガスに含まれる水分を排出する手段として第２インジェクタ２８を使用する。第２インジェクタ２８をＰＷＭ制御により作動させると、間欠的な排水によって脈動が生じ、排水が促進されるため、フラッディンングを好適に防止できる。また、従来の開閉弁を用いる構成に比べて１回の開閉制御（ＰＷＭ制御の１周期）当たりの排水量が少ないため、排水量を細かくコントロールすることができる。

ここで、図９及び図１０を参照して、本実施形態の前記した効果をより詳細に説明する。図９は各種燃料ガス供給方法に応じた差圧を例示する説明図であり、図１０は、（ａ）実施形態の第１インジェクタ２９の開閉制御と、（ｂ）従来のパージ弁の開閉制御とを対比して説明する説明図である。

まず、各種燃料ガス供給方法に応じて燃料電池１０のアノード流路１１に発生する差圧について、図９を参照して確認し、間欠流による水素ガスの供給がより高い差圧を発生させることなどについて考察する。図中、Ａは燃料ガスの供給量を平均値として間欠流で供給する場合を、Ｂは燃料ガスの供給量を最大値として間欠流で供給する場合を、Ｃは燃料ガスの供給量を平均値として連続流で供給する場合を、Ｄは燃料ガスの供給量を平均値として連続流で供給すると共に水素パージを行う場合を、それぞれ示す。

まず、水素パージによって差圧がより高くなることが、ＣとＤの比較によって確認できる。つまり、パージ弁を開弁することによって燃料オフガスが排出され、その排出分を補うために燃料ガス供給系から燃料ガスが供給されるので、アノード流路に多くの燃料ガスが流れることとなってストイキが上昇して差圧が発生し易くなることによるものと考えられる。

次に、間欠流による燃料ガスの供給が連続流の場合よりもより高い差圧を発生させることが、ＡとＣの比較によって確認できる。燃料ガス供給側から間欠流の燃料ガス供給を行うには、例えば、供給弁として供給用インジェクタを使用する構成が考えられる。この場合、供給用インジェクタを閉じた時に、燃料電池１０内の発電による燃料ガスの消費によりアノード流路１１の圧力が低下して差圧が増加する。すなわち、燃料電池１０のアノード流路１１内で間欠的に燃料ガスの消費がされて、間欠的に燃料ガス圧力が低下するので、燃料ガス圧力に間欠的な圧力変動、即ち脈動が発生し、燃料電池１０の差圧がより高いものとなると考えられる。

また、間欠流による燃料ガスの供給であっても、流量が多い方がより高い差圧を発生させることが、ＡとＢの比較によって確認できる。燃料ガスの圧力損失（燃料ガスと壁面との摩擦、絞り等）は流量に比例するので、燃料ガス流量が増加すると圧力損失が増加して差圧が発生することによるものと考えられる。

以上の考察を踏まえて、本実施形態の第１インジェクタ２９による間欠パージを行う場合に発生する差圧が、従来のパージ弁を用いた水素パージを行う場合に比べてより高いものとなることについて考察する。両者のパージ処理によって燃料電池１０において置換される総合的な燃料ガス量が同じであれば、発生する差圧も同じになるはずである。しかしながら、第１インジェクタ２９による間欠パージの場合、あるタイミングでのパージで差圧が発生してそのタイミングでの差圧増加分が無くならない内に、次のタイミングでのパージによる差圧増加分が重畳されていく。このように、重畳的効果が見込まれ、その結果として、従来のパージ弁を用いたパージ処理により発生する差圧と比較して、より高いものとなると考えられる。

次に、図１０を参照して、インジェクタの開閉応答特性の優位性による効果について説明する。閉弁遅れ特性について比較すると、従来のパージ弁の場合（図１０（ｂ）参照）、１回の水素パージによる排出流量が多いため、閉弁遅れが相対的に大きく、該閉弁遅れのバラツキも大きい。これに対して、本実施形態で使用するインジェクタでは、１回の開閉制御（ＰＷＭ制御の１周期）当たりの排出流量が少ないため、閉弁遅れが相対的に小さく、該閉弁遅れのバラツキも小さい。

このように、インジェクタは従来のパージ弁と比較して開閉応答特性が優れており、加えて１回の開閉制御当たりの排出流量が少ないため、排出流量をきめ細かく調整することができる。また、実際の排出流量をより精度良く推定できるため、推定した排出流量を（精度上問題無く）制御パラメータとして使用することができ、例えば、気液分離器１５の水位センサや、流量センサなどの検出手段を省略することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１１は第２実施形態の燃料電池システム２の構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム２は、第１実施形態と同様に、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系４０、掃気系、検出系、制御部７０ａなどで構成されている。このような構成によっても、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

本実施形態において第１実施形態と異なる構成は、アノード系２０の燃料ガス供給流路において、遮断弁２２の代わりに、第３インジェクタ３０ａを使用していることである。第３インジェクタ３０ａのデューティ比は制御部７０ａによって設定され、第３インジェクタ３０ａの開閉は、該デューティ比に基づく開閉制御信号によってＰＷＭ制御される。

このように、燃料ガス供給流路に流量を制御可能な第３インジェクタ３０ａを配することにより、第３インジェクタ３０ａのＰＷＭ制御におけるデューティ比（オンデューティの場合には、１周期当たりの開弁時間）を細かく制御して、１回の第３インジェクタ３０ａの作動による供給量もより正確に推定することができるので、きめ細かい供給制御を行うことができる。

ところで、図９に例示したように、電流密度に対する差圧の特性では、燃料ガス供給方法の違いに関わらず、低い電流密度（低負荷運転時）に対しては低い差圧となり、燃料電池１０の排水性が悪化し易くなる。また、低負荷運転時には、燃料ガスの供給流量が少ないことから、第１インジェクタ２９による間欠パージを行ったとしても、排水可能差圧が得られないケースがある。

本実施形態では、そのようなケースにおいて、制御部７０ａによって、第１インジェクタ２９及び第３インジェクタ３０ａのそれぞれのＰＷＭ制御を同期させることにより、第３インジェクタ３０ａの間欠供給による差圧増加分と、第１インジェクタ２９の間欠パージによる差圧増加分と、を重畳させて、さらにより高い差圧を発生させる。

図１２に、（ａ）第３インジェクタ３０ａに対する開閉制御信号、（ｂ）アノード圧力、（ｃ）第１インジェクタ２９に対する開閉制御信号のタイミングチャートを例示する。なお、第１インジェクタ２９及び第３インジェクタ３０ａのそれぞれのデューティ比については、制御部７０ａにおいて設定されているものとし、その設定手法については特に言及しない。また、図１２（ｂ）に示すアノード圧力の変化は、第３インジェクタ３０ａの開閉制御に伴う変化のみを示しており、他の要因（第１インジェクタ２９の開閉制御等）に伴う変化について反映されていないものとする。

図１２（ｂ）を参照して、第３インジェクタ３０ａの開閉制御に伴うアノード圧力の変化について見ると、第３インジェクタ３０ａが開制御されるとアノード圧力はＰ２からＰ１に上昇し、第３インジェクタ３０ａが閉制御されると、発電による燃料ガスの消費によってアノード圧力はＰ１からＰ２に減少する。ここで、差圧が増加するのは、短時間に燃料ガスの供給量が増える場合と、排出量が増える場合である。なお、これは内部に流れが生じることによるものである。したがって、アノード圧力Ｐ１とＰ２の圧力差を大きくすることが可能であれば差圧を増加させることができる。

そこで、本実施形態では、第３インジェクタ３０ａの間欠的な燃料ガス供給により、第３インジェクタ３０ａの開制御時に短時間で燃料ガスの供給量を増やしてアノード圧力をＰ１に上昇させる。また、第３インジェクタ３０ａの閉制御時に第１インジェクタ２９を開制御させることで短時間で燃料ガスの排出量を増やしてアノード圧力をＰ２に降下させる。これによって、より高い差圧を発生させることができる。具体的には、図１２（ｃ）に示すように、第３インジェクタ３０ａを開制御から閉制御に切り替えるタイミングから所定時間ΔＴ経過後に、第１インジェクタ２９を閉制御から開制御に切り替えるように、第３インジェクタ３０ａに対する開閉制御信号及び第１インジェクタ２９に対する開閉制御信号間の同期をとる。

これにより、低負荷運転時であっても、燃料電池１０の差圧を排水可能差圧以上に高くすることができ、燃料電池１０の排水性を向上させることができる。

〔変形例〕
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこれら実施形態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の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、気液分離器２５で分離された水分を排出する手段として、第２インジェクタ２８の代わりに、従来と同様のドレイン弁を使用しても良い。この構成によっても、排気に関して第１実施形態及び第２実施形態と同等の効果を得ることができる。

また、第１実施形態及び第２実施形態では、希釈器５３を備えて、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８（第２実施形態ではドレイン弁２８ａ）から排出される燃料オフガスを、排出可能濃度となるまで希釈して外部に排出する態様としたが、希釈器５３は必須の構成要件ではなく、希釈器５３を配しないで、配管ｂ４に配管ａ８を直接結合した態様としても、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

つまり、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８では、排出量をきめ細かく制御できるので、希釈器５３における燃料オフガスの滞留空間によって燃料オフガス量を調整しなくても、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８の排出量をＰＷＭ制御のデューティ比設定により直接的に調整できる。

すなわち、配管ｂ４に流れる酸化剤オフガス量を、エア量Ｑａｉｒ及び燃料電池１０の発電電流Ｉに基づき算出して、この酸化剤オフガス量に対して導入可能（排出可能濃度となるまで希釈可能）な燃料オフガス量を求め、第１インジェクタ２９及び／または第２インジェクタ２８の排出量が該燃料オフガス量となるよう、ＰＷＭ制御のデューティ比を調整する。

１，２ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路
１２ カソード流路
２０ アノード系
２１ 燃料ガス供給系
２２ 遮断弁
２３ エゼクタ
２５ 気液分離器（気液分離手段）
２８ 第２インジェクタ
２９ 第１インジェクタ
３０ａ 第３インジェクタ
３１ オリフィス
ａ１〜ａ８，ｂ１〜ｂ４ 配管
４０ カソード系
４１ エアポンプ
４２ エアフローセンサ
４４ 加湿器
４６，４５ 封止弁
５３ 希釈器（希釈手段）
７０，７０ａ 制御部
７１ 生成水量推定手段
７２ 排水デューティ設定手段
７３ 排水実行手段
７４ 排出可能ガス量推定手段
７５ 排気デューティ設定手段
７６ 排気実行手段
７７ 故障検知手段
８１ 掃気要否判断手段
８２ 停止制御手段
８３ 低温起動判定手段
８４ 起動制御手段

Claims (9)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
   前記燃料オフガス排出流路に配設され、燃料オフガスを排出する第１インジェクタと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１インジェクタにより排出された燃料オフガスを、排出可能濃度となるまで希釈する希釈手段と、
   前記希釈手段に導入される希釈ガス量に基づき該希釈手段に導入可能な燃料オフガス量を排出可能ガス量として推定する排出可能ガス量推定手段と、
   前記排出可能ガス量推定手段により推定された排出可能ガス量に基づき前記第１インジェクタのデューティ比を設定する排気デューティ設定手段と、
   燃料オフガスの排気が必要とされるとき、前記排気デューティ設定手段により設定されたデューティ比で前記第１インジェクタを作動させる排気実行手段と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１インジェクタの下流に配設され、前記燃料オフガス排出流路を通流する燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段と、
   前記圧力検知手段の下流に配設されるオリフィスと、
   前記圧力検知手段の検出値に基づき、前記第１インジェクタの故障を検知する故障検知手段と、を備える
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料オフガス排出流路に配設されて、燃料オフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段と、
   前記気液分離手段で分離された水分を排出する第２インジェクタと、を備え、
   前記第１インジェクタは、前記気液分離手段で水分を分離した後の燃料オフガスを排出すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の発電電流に基づき生成水量を推定する生成水量推定手段と、
   前記生成水量推定手段により推定された生成水量に基づき前記第２インジェクタのデューティ比を設定する排水デューティ設定手段と、
   前記生成水量推定手段により推定された生成水量が排水実行閾値を超えたとき、前記排水デューティ設定手段により設定されたデューティ比で前記第２インジェクタを作動させる排水実行手段と、を備えること
   を特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの下流に配設され、前記燃料オフガス排出流路を通流する燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段と、
   前記圧力検知手段の下流に配設されるオリフィスと、
   前記圧力検知手段の検出値に基づき、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの故障を検知する故障検知手段と、を備える
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 当該燃料電池システムに対する停止要求があったとき、前記燃料電池の掃気が必要か否かを判断する掃気要否判断手段と、
   前記掃気要否判断手段により前記燃料電池の掃気が必要であると判断された場合に、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの両方を作動させる停止制御手段と、を備える
   ことを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 当該燃料電池システムの起動時に、低温起動が必要か否かを判定する低温起動判定手段と、
   前記低温起動判定手段により低温起動が必要であると判定された場合に、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタへ電流を供給し続ける起動制御手段と、を備えること
   を特徴とする請求項４乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料ガス供給流路に配設されて、燃料ガスを供給する第３インジェクタ、を備え、
   前記第３インジェクタを開制御から閉制御に切り替えるタイミングから所定時間経過後に、前記第１インジェクタを閉制御から開制御に切り替えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。

Images