JP5447661B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の運転に関するものである。

従来、燃料電池システムにおいては、燃料ガスとしての水素ガスを循環させ、燃料ガス内の不純物が増加すると、排ガスの一部を循環系の外部に排出する、いわゆる「パージ動作」を実行するシステムが存在する。そして、たとえば、特許文献１の技術においては、パージ動作が実行されたと判定した場合には、排気排水弁の開放（ＯＮ）時点より後に、インジェクタから燃料電池への水素ガスの噴射を停止させるとともに、水素ポンプを停止させて循環流路から水素供給流路への水素ガスの循環を停止させる。一方、パージ動作が実行されていないものと判定した場合には、インジェクタの通常制御を続行する。すなわち、インジェクタのガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

特開２００７−３１１０３９号公報

しかし、上記の従来技術においては、アノード（水素極、負極）からカソード（酸素極、正極）へ、膜電極接合体（ＭＥＡ）を透過して水素ガスが透過する、いわゆる「クロスリーク」については考慮されていない。また、燃料ガス循環系から不純物を多く含む燃料ガスを排出するための排気排水弁の開閉力と、燃料ガスの循環系の圧力の関係についても考慮されていない。
燃料ガスの循環系の圧力が高く設定されると、アノード（水素極、負極）からカソード（酸素極、正極）へ、膜電極接合体（ＭＥＡ）を透過する水素ガスの量が多くなる。よって、クロスリーク低減の観点からは、燃料ガス循環系の圧力は、低く設定されることが好ましい。燃料ガス循環系の圧力が低く設定される場合には、排気排水弁の径は大きく設定される。外部との圧力差が小さい状態において、定められた時間内に適切な量のガスを、燃料ガス循環系から外部に排出できるようにするためである。

一方、燃料ガス循環系の圧力は、動的に制御されている。そして、所定の目的のために、燃料ガス循環系の圧力が一時的に低い値に制御されることがある。排気排水弁を駆動する駆動装置は、そのような、系の内外の圧力差が小さいときでも、適切な流量を確保できるように排気排水弁を開閉する必要がある。このため、排気排水弁の径を大きく設定すると、弁を閉じる向きに弁を押圧するような圧力差が系の内外で生じているときにも弁を適切に開閉できるように、排気排水弁を駆動する駆動装置も、大きな力を発生させることができる大きな物とならざるを得ない。その結果、燃料電池システム自体も大型化せざるを得ない。このような問題は、燃料電池を搭載した車両に限らず、小型化、軽量化が望まれる燃料電池システムについて、広く存在する。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を取り扱うためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、クロスリークを低減しつつ、燃料電池システムを小型化することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を取り扱うために以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第１の圧力であるときに前記排気弁を開き、
前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とする、燃料電池システム。

このような態様とすれば、第２の圧力に比べて低い第１の圧力にあるときに排気弁を開くため、小さな力で排気弁を開くことができる。このため、クロスリーク低減のために定常運転時の燃料ガス流路内の圧力を低く設定し、排気弁の径を大きくしても、排気弁を小さく設けることができる。すなわち、クロスリークを低減しつつ、燃料電池システムを小型化することができる。そして、上記のような態様とすれば、排気弁を開いた後に燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を上げることがない態様に比べて、より短い時間で、排気弁から燃料排ガス流路の外に燃料排ガスを排出することができる。

なお、ここでいう「排気弁」は、弁体のほか、弁体を駆動する装置をも含む。また、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を第２の圧力とする時間区間は、排気弁を開いた直後に開始してもよいし、排気弁を開いた後、所定時間を経過した後に開始してもよい。そして、燃料ガスの圧力を第２の圧力とする時間区間は、排気弁を閉じる前に終了してもよいし、排気弁を閉じた後に終了してもよい。

［適用例２］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池に発電を行わせている際に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が所定の圧力となるように、前記圧力制御部をフィードバック制御し、
前記フィードバック制御におけるフィードバック信号と、前記圧力制御部の運転状態と、の少なくとも一方の変化に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知して、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第２の圧力にする、燃料電池システム。

このような態様とすれば、実際に排気弁が開いたことによるフィードバック信号または圧力制御部の運転状態の変化を検知して、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を上げる制御を行うことができる。よって、圧力を上げる制御によって、排気弁の開弁を阻害することがない。

［適用例３］
適用例１の燃料電池システムであって、さらに、
前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサを備えており、
前記制御部は、前記圧力センサによって得られる測定値の低下に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知する、燃料電池システム。

このような態様とすれば、実際に排気弁が開いたことによる圧力の低下を検知して、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を上げる制御を行うことができる。よって、圧力を上げる制御によって、排気弁の開弁を阻害することがない。

［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかの燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第２の圧力にした後、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁が開いた状態において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第２の圧力よりも高い第３の圧力にする、燃料電池システム。

燃料排ガス流路には、燃料電池から排出された水が液体として存在することがある。そして、排気弁から液体の水とガスとを排出する際には、排気弁が開弁した後、まず、燃料排ガス流路の外に液体の水が排出され、その後、不純物と未反応の燃料ガスとを含むガスが排出される。一方、燃料排ガス流路内の圧力が高く、燃料排ガス流路の外部との圧力差が大きい場合には、排気弁から液体の水が排出される際に、キャビテーションが生じ、効率的に水が排出されないことがある。
上記の態様においては、はじめに排気弁から液体の水を排出する際には、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を比較的低い第２の圧力とする。その結果、燃料排ガス流路の圧力も低く抑えられる。このため、キャビテーションの発生をおさえつつ、効率的に水を排出することができる。そして、水を排出した後には、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力をより高い第３の圧力とする。その結果、燃料排ガス流路の圧力も高くなる。このため、効率的にガスを排出することができる。

［適用例５］
適用例１または２を限定した適用例４の燃料電池システムであって、さらに、
前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサを備えており、
前記制御部は、前記圧力センサによって得られる測定値の所定時間における低下幅が、所定のしきい値を超えた後に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第３の圧力にする前記処理を行う、燃料電池システム。

排気弁から水が排出されている際には、燃料ガス流路、燃料電池内、および燃料排ガス流路の圧力は、急激に低下することはなく、少しずつ低下する。一方、排気弁から水が排出された後、すなわちガスが排出される際には、燃料ガス流路、燃料電池内、および燃料排ガス流路の圧力は、急激に低下する。このため、上記のような態様とすれば、実際にガスの排出が開始された後に、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力、ひいては、燃料排ガス流路の圧力を高くすることができる。

なお、適用例３が備える圧力センサと、適用例５が備える圧力センサとは、一つのものとすることもでき、別個のものとすることもできる。

なお、開弁後、所定時間が経過した後に、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を第３の圧力にする制御を行う態様とすることもできる。このような態様とすれば、簡易な制御で、効率的に水とガスとを排気弁からそれぞれ排出することができる。

［適用例６］
適用例１または２の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料排ガス流路内を流れる前記排ガスの一部を前記燃料ガス流路に戻す環流路と、
前記燃料電池の温度を決定するための温度センサと、
前記燃料電池から流れる電流の量を決定するための電流計と、
前記燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給される燃料ガスの圧力を測定する第１の圧力センサと、
前記圧力制御部が前記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を測定する第２の圧力センサと、を備え、
前記圧力制御部は、前記燃料ガス流路において前記燃料ガス供給源と前記燃料電池との間に設けられ、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとしての水素ガスを、制御された圧力で前記燃料電池に供給することができるインジェクタであり、
前記制御部は、
前記開弁時に、前記排気弁からガスを排出しつつ、前記圧力制御部を介して前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に供給し、
前記燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給された燃料ガスの圧力と、前記圧力制御部が前記燃料電池に供給した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池が流す電流と、に基づいて得られるパラメータが所定の値を上回ったときに、前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。

排気弁から排出されるガスは、燃料ガスとしての水素ガスと、不純物としての窒素および水蒸気と、を含む。これらのガスの分子量はそれぞれ２、１４、１８である。よって、排気弁から排出されるガスの平均分子量は、２〜１８である。一方、燃料ガスとしての水素ガスの分子量は２である。このため、開弁時に、燃料排ガス流路、燃料電池、および燃料排ガス流路を含む系から、不純物を多く含むガスが排気弁を介して排出され、その系に、燃料ガス供給源からの燃料ガスが供給されると、排気弁を介して排出されるガスの平均分子量は、徐々に小さくなる。この平均分子量が所定値よりも小さくなったときには、燃料排ガス流路、燃料電池、および燃料排ガス流路を含む系から不純物は十分に排出されたと判断することができる。
一方、排気弁から排出されるガスの平均分子量の平方根は、排気弁から排出されるガスの単位時間当たりの流量に反比例する。
そして、排気弁から排出されるガスのうち、窒素は、主として燃料電池において生じるクロスリークにより、燃料排ガス流路に混入する。クロスリークの量は、燃料電池の温度と相関がある。
また、排気弁から排出されるガスのうち、水蒸気は、主として燃料電池における発電によって生じる水に起因する。この水蒸気の量は、燃料電池における発電の電流量および燃料電池の温度と相関がある。
さらに、排気弁から排出されるガスのうち、水素ガスの量は、インジェクタを介して燃料電池に供給された水素と、燃料電池における発電によって消費された水素との差として得られる。そして、インジェクタを介して燃料電池に供給された水素の量は、圧力制御部の前後における圧力差から決定しうる。
上記の態様においては、圧力制御部に供給された燃料ガスの圧力と、圧力制御部から燃料電池に供給され燃料ガスの圧力と、燃料電池の温度と、燃料電池の温度と、燃料電池の電流と、に基づいて得られるパラメータが所定の値を上回ったときに、排気弁を閉じる。そのような態様とすることで、系を循環するガスから不純物が十分に排出された状態で、排気弁を閉じることができる。

［適用例７］
適用例１ないし６のいずれかの燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を閉じる前に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力をそれまでよりも低下させ、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が前記低下された状態において前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。

このような態様とすれば、排気弁を閉じることにより、燃料排ガス流路、燃料電池、および燃料排ガス流路を含む系の圧力が、好ましくない程度に高くなってしまう事態を防止することができる。

［適用例８］
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、を備え、
前記方法は、
（ａ）前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第１の圧力であるときに前記排気弁を開く工程と、
（ｂ）前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を開いた後、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力にする工程と、を備える方法。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の搭載方法、燃料電池システム、燃料電池を搭載した車両などの形態で実現することが可能である。

以下では、図面を参照して、本願発明の好ましい実施例の詳細が説明され、本願発明の上述の目的およびその他の目的、構成、効果が明らかにされる。

本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表すブロック図である。 気液分離器２７の開閉弁５０周辺を拡大して示す模式図である。 気液分離器２７の開閉弁５０周辺を拡大して示す模式図である。 制御部７０が行うインジェクタ６２の制御の内容を示すチャートである。 開閉弁５０内の圧力Ｐｅがある値であるときの、単位時間当たりのガスおよび水の排出量を示すグラフである。 希釈器２６から排出される排ガス中の水素濃度Ｄｈを表すグラフである。 開弁時間の改変を示すグラフである。 第２実施例において、制御部７０が行うインジェクタ６２の制御の内容を示すチャートである。 開閉弁５０が開かれた直後に開閉弁５０から排出されるガスの内容と、開閉弁５０が閉じられる直前に開閉弁５０内から排出されるガスの内容とを表すグラフである。 制御部７０が有する、開閉弁５０から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量ｑｎに関するマップＭｎを表す図である。 制御部７０が有する、開閉弁５０から排出される単位時間当たりの水蒸気の量ｑｗに関するマップＭｗ１，Ｍｗ２，Ｍｗ３を表す図である。 冷却水温Ｔｗが５０度のときの、液分離器２７から排水すべき液体の水の量ｑＬを示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表すブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池２２は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。

水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６０に放出された後、インジェクタ６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。なお、水素ガス供給路６０には、ＦＣ入口シャットバルブ６１が設けられている。

インジェクタ６２は、弁が開いた状態と弁が閉じた状態の二つの状態を有する。インジェクタ６２は、「弁が開いた状態にある時間Ｔｏ」と「弁が閉じた状態にある時間Ｔｃ」とをそれぞれ所定の値に固定して、弁が開いた状態と弁が閉じた状態を高速に繰り返すことができる。このため、インジェクタ６２をＰＷＭ制御することにより、任意の圧力で燃料電池２２のアノードに水素ガスを供給することができる。

インジェクタ６２において、「弁が開いた状態にある時間Ｔｏ」を、「弁が開いた状態にある時間Ｔｏ」と「弁が閉じた状態にある時間Ｔｃ」との和で割って得られる比を、本明細書において「デューティ比Ｄｉ」と呼ぶ。このデューティ比Ｄｉを調整することにより、インジェクタ６２は、任意の圧力で燃料電池２２のアノードに水素ガスを供給することができる。本明細書においては、弁が開いた状態にある時間の割合が大きいほど、デューティ比が「大きい」と記述する。

燃料電池２２のアノードから排出されるアノード排ガスは、図１に示すように、アノード排ガス路６３ｅ，６３ｍ，６３ｒに導かれて再び水素ガス供給路６０に流入する。アノード排ガス路６３ｅ，６３ｍ，６３ｒの途中には、水素ポンプ６５が設けられている。燃料電池２２のアノードの下流側に接続されているアノード排ガス路６３ｅ、およびアノード排ガス路６３ｍの圧力は、燃料電池２２内の経路の圧損および燃料電池２２で消費された水素ガスの分だけ、燃料電池２２の上流側に接続されている水素ガス供給路６０の圧力よりも低い。燃料電池２２から排出されアノード排ガス路６３ｅ，６３ｍを流通するアノード排ガスは、水素ポンプ６５によって圧縮され、圧力を高められて、アノード排ガス路６３ｒに供給され、水素ガス供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。

また、アノード排ガス路６３ｅとアノード排ガス路６３ｍの間には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じる。カソードで生じた水は、電解質膜を介してアノード側のガス内にも導入される。本実施例の燃料電池システム１０では、この水によるフラッディングを防止するため、アノード排ガス中に溜まった水蒸気を、気液分離器２７によってアノード排ガス路６３中において凝縮させ、系外に排出する。なお、ここでいう「系」とは、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路６０と、燃料電池２２内の燃料ガスの流路と、燃料電池２２から排出されるアノード排ガスを再び燃料ガス供給路６０に供給するアノード排ガス路６３ｅ，６３ｍ，６３ｒと、から構成されるガス流路をいう。

気液分離器２７には、開閉弁５０が設けられており、さらに開閉弁５０を介して気液排出路６４が接続されている。そして、気液排出路６４は、希釈器２６に接続されている。開閉弁５０を開状態とすることで、気液分離器２７内で凝縮された水、およびアノード排ガス路６３を流通するアノード排ガスの一部が、希釈器２６を通じて大気中に排出される。

図２および図３は、気液分離器２７の開閉弁５０周辺を拡大して示す模式図である。図２は、開閉弁５０が閉じている状態を示す。図３は、開閉弁５０が開いている状態を示す。開閉弁５０は、気液分離器２７の外殻を兼ねる外殻５１と、弁体５２と、パッキン５３と、ソレノイド５４とを備えている。外殻５１は、開閉弁５０の内部と外部を区切っており、穴５１ｈを備えている。開閉弁５０の内部は、穴５１ｈを介して気液排出路６４と連通し得る。パッキン５３は、弾性変形可能な素材で設けられており、外殻５１の内側において、穴５１ｈの周りを囲んでいる。

弁体５２は、パッキン５３に押しつけられると穴５１ｈを閉じる。弁体５２がパッキン５３から離れると、開閉弁５０の内部は、穴５１ｈを介して気液排出路６４と連通する。ソレノイド５４は、開閉弁５０の内部に設けられており、弁体５２を動かす。ソレノイド５４は、弁体５２を外殻５１に向かって押しつけて、パッキン５３と密着させ、または弁体５２をパッキン５３から引き離す。その結果、開閉弁５０は、弁が開いた状態と弁が閉じた状態の二つの状態を取ることができる。制御部７０は、開閉弁５０のソレノイド５４を制御して、開閉弁５０を開閉させる。

開閉弁５０は、気液分離器２７の底部に設けられている。このため、開閉弁５０が開状態となると（図３参照）、気液分離器２７内で凝集された水はすべて希釈器２６に排出される。そして、その水が排出された後で、アノード排ガスの一部が希釈器２６に排出される（図３の矢印Ａｆ参照）。

本実施例の燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３を水素ガス供給路６０に接続して、アノード排ガスを再び電気化学反応に供する構成となっている。燃料電池２２においては、カソード側からアノード側に電解質膜を通じて窒素が浸透する。このため、燃料電池２２とアノード排ガス路６３との間で水素ガスを循環させると、時間の経過とともに、アノード側の窒素濃度が上昇する。そこで、燃料電池システム１０では、所定の時間間隔で開閉弁５０を介して、アノード排ガスの一部を流路外に排出している。こうすることによって、アノード排ガス路６３内の不純物濃度の低下を図り、アノードに供給するガス中の窒素等の不純物濃度の上昇を防止している。

図１に示すエアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。エアコンプレッサ２４が空気を圧縮する際には、フィルタを備えたマスフロメータ２８を介して、外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。

カソード排ガス路６８には、前述の希釈器２６が設けられている。希釈器２６は、気液排出路６４よりも断面積が大きい容器であり、一端が大気に解放されている。希釈器２６には、気液分離器２７に接続された開閉弁５０、ならびに気液排出路６４を介してアノード排ガスが流入する。希釈器２６に流入したアノード排ガスは、希釈器２６においてカソード排ガスと混合されることによって希釈される。その後、混合されたアノード排ガスとカソード排ガスとは、カソード排ガス路６８から大気中に排出される。その際、排出されるガス中の水素ガスの濃度が所定濃度以下となるように、エアコンプレッサ２４等の燃料電池システム１０の各機器が制御される。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池２２の運転温度が所定温度となるように燃料電池２２を冷却するための冷却部４０を備えている。冷却部４０は、冷却水路４１と、冷却ポンプ４２と、ラジエータ２９とを備えている。冷却水路４１は、燃料電池２２の内部とラジエータ２９との間で冷却水が循環するように、冷却水を導く流路である。冷却ポンプ４２は、冷却水路４１内で冷却水を循環させる。ラジエータ２９は、冷却ファンを備えており、燃料電池２２内を経由して昇温した冷却水を冷却する。

なお、既述したエアコンプレッサ２４や冷却ポンプ４２、あるいはラジエータファンや流路に設けた弁など、燃料電池２２の発電に伴って動作する装置を、以後、燃料電池補機と呼ぶ。これらの燃料電池補機は、燃料電池２２から電力を供給されて動作する。

燃料電池２２には、燃料電池２２から電力を供給される電力消費装置である負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０には、たとえば、燃料電池２２から電力を供給されて動作する電動機が含まれる。なお、図１では、負荷装置３０は、燃料電池システム１０から独立した負荷として表わしているが、この負荷装置３０には、既述した燃料電池補機も含まれる。すなわち、図１では、エアコンプレッサ２４等の燃料電池補機を含めて、燃料電池２２から電力を供給される装置を負荷装置３０として表す。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される。より詳しくは、制御部７０は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。

この制御部７０は、燃料電池システム１０の各部に設けられた電流計３５、電圧計３６、インピーダンス計３７、温度センサ４３、圧力センサ６６ａ，６６ｂなどの各センサの検出信号や、負荷装置３０における負荷要求に関する情報を取得する。また、制御部７０は、燃料電池システム１０が備えるポンプや流路に設けられた弁やラジエータファンなど、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、図１では、燃料電池システム１０の構成要素と制御部７０との間で信号のやり取りがなされる様子を表すために、制御部７０を燃料電池システム１０の外部に記載している。

燃料電池システム１０は、燃料電池２２と負荷装置３０とを接続する回路において電流計３５を備えている（図１参照）。また、燃料電池システム１０は、冷却水路４１に、燃料電池２２から送出されラジエータ２９に流入する冷却水温度を検出するための温度センサ４３を備えている。さらに、燃料電池システム１０は、水素ガス供給路６０であって水素タンク２３より下流でインジェクタ６２よりも上流の位置に、圧力センサ６６ａを備えている。そして、燃料電池システム１０は、水素ガス供給路６０であってインジェクタ６２より下流で燃料電池２２よりも上流の位置に、圧力センサ６６ｂを備えている。

制御部７０は、予め制御部７０内に記憶されているマップを参照して、電流計３５によって検出される電流量、温度センサ４３によって検出される冷却水温、および圧力センサ６６ａ，６６ｂによって検出される水素ガスの圧力などに基づいて、開閉弁５０の開閉動作の制御、ならびにインジェクタ６２の動作の制御を行う。たとえば、燃料電池２２の発電量の積算値に基づいて、弁を開く時間間隔（弁を閉じている時間）と、弁を開いている時間とを定めた弁用マップＭｖが予め作成され、制御部７０内に格納されている。なお、弁用マップＭｖは、冷却水温の区分に応じた複数組のデータを有している。

Ａ２．開閉弁およびインジェクタの制御：
前述のように、制御部７０は、弁用マップＭｖを参照し、燃料電池２２の発電量の積算値に基づいて、開閉弁５０を開閉する。そして、制御部７０は、開閉弁５０を開閉に応じて、インジェクタ６２の運転状態を制御する。

図４は、制御部７０が行うインジェクタ６２の制御の内容を示すチャートである。図４の下段に示すＶｓは、開閉弁５０の開閉状態を示す。Ｖｓがハイであることが、開閉弁５０が開いていることを示す。Ｖｓがロウであることが、開閉弁５０が閉じていることを示す。図４の中段に示すＤｉは、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉである。インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉは、制御部７０の制御にしたがって様々な値を取りうる。図４の上段に示すＰｏは、圧力センサ６６ｂによって測定されるインジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力である（図１参照）。

制御部７０は、弁用マップＭｖにしたがって、所定の時刻ｔ３で開閉弁５０を開くべきであると判断すると、時刻ｔ３に先だって、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力を低下させる。具体的には、まず、時刻ｔ１で、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、それまでのデューティ比Ｄ０からＤ１（Ｄ１＜Ｄ０）に低下させ、その後、時刻ｔ２で、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、Ｄ２（Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ０）とする。

その結果、時刻ｔ１とｔ２の間の時間区間Ｔｐ１において、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、Ｐ０からＰ２（Ｐ２＜Ｐ０）に低下する。そして、時刻ｔ２とｔ３の間の時間区間Ｔｐ２において、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、Ｐ２に保たれる。なお、Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２は、いずれも気液排出路６４および希釈器２６内の圧力Ｐｄよりも高い。

その後、時刻ｔ３において、制御部７０は開閉弁５０を開く。このように、本実施例では、開閉弁５０を開くのに先立って、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを低くする（図４の時間区間Ｔｐ１，Ｔｐ２参照）。このため、開閉弁５０を開くときのアノード排ガス路６３ｅおよび気液分離器２７内の圧力Ｐｅが低くなる。すなわち、気液分離器２７内の圧力Ｐｅと、気液排出路６４および希釈器２６内の圧力Ｐｄとの差が小さくなる。このため、弁体５２の径が大きい場合にも、小さな力で弁体５２を開閉弁５０内部に向かって動かすことができる（図２および図３参照）。また、燃料電池システムの運転の都合のために、インジェクタ６２の下流側の圧力Ｐｏが大きいときにも、小さな力で弁体５２を開閉弁５０内部に向かって動かすことができる。よって、ソレノイド５４として、強い力を発生させることができる大型のソレノイドを装備する必要がない。

時刻ｔ３において開閉弁５０が開くと、開閉弁５０から液体の水およびガスが希釈器２６に排出される（図１および図３参照）。その結果、アノード排ガス路６３ｅ，６３ｍ，６３ｒと、燃料電池２２内の燃料ガスの流路と、燃料ガス供給路６０と、を含む系（以下、「燃料ガス循環系」と呼ぶ）の圧力が低下する。このため、圧力センサ６６ｂによって測定されるインジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏも低下する（図４の時間区間Ｔｐ３参照）。Ｐｏが所定の圧力Ｐ３（Ｐ３＜Ｐ２）にまで低下したことを検知すると、制御部７０は、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、Ｄ２からＤ３（Ｄ２＜Ｄ０＜Ｄ３）に上昇させる。その結果、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏが、時間区間Ｔｐ４において、Ｐ３からＰ５まで上昇する（Ｐ５＞Ｐ０）。

その後、制御部７０は、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、Ｄ４（Ｄ０＜Ｄ４＜Ｄ３）に保つ。その結果、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、時間区間Ｔｐ５において、Ｐ５（Ｐ２＜Ｐ０＜Ｐ５）に保たれる。

このように、本実施例では、開閉弁５０を開いた後に、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを、開弁前より高くする（図４の時間区間Ｔｐ０，Ｔｐ５参照）。このため、排ガス循環系に含まれる開閉弁５０内の圧力を高くすることができる。その結果、燃料電池の発電量が低く、圧力Ｐ０が低い場合にも、開閉弁５０から効率的に水およびガスを排出することができる。また、開閉弁５０を開く際には、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、Ｐ５よりも低い値である。このため、小さな力で弁体５２を開閉弁５０内部に向かって動かすことができる。よって、ソレノイド５４として、強い力を発生させることができる大型のソレノイドを装備する必要がない。そして、開閉弁５０を開く前の定常時の圧力Ｐ０を、水およびガスの系からの排出を考慮せずに定められるため、定常運転時の圧力Ｐ０を、クロスリークが生じにくい圧力に設定することができる。

また、本実施例においては、開閉弁５０の開弁を圧力変化に基づいて検知して、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを高くしている。このため、開閉弁５０の開弁前に水素ガスの圧力Ｐｏを高くしてしまい、開弁を阻害する事態を避けることができる。

時刻ｔ３において開閉弁５０が開かれた後、時刻ｔ６までは、開閉弁５０から水が排出されている。このため、燃料ガス循環系から急速に気体や液体が排出されて、内部の圧力が急激に低下するということはない。水が開閉弁５０から排出される速度は、ガスが開閉弁５０から排出される速度に比べて、遅いためである。時間区間Ｔｐ５において、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを一定に保つためのインジェクタ６２のデューティ比Ｄ４は、開閉弁５０から水が排出されており、ガスが排出されていないことを想定した設定値である。

その後、時刻ｔ６において、開閉弁５０からの水の排出が完了し、開閉弁５０からガスが排出され始める。その結果、燃料ガス循環系の圧力は、急激に低下する。そのため、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏも急激に低下する（図４の時間区間Ｔｐ６参照）。

インジェクタ６２の下流側の圧力Ｐｏの単位時間当たりの低下幅が、所定のしきい値Ｔｒ６より大きくなったことを検知すると、制御部７０は、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、Ｄ４からＤ５（Ｄ３＜Ｄ４＜Ｄ５）に上昇させる。その結果、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏが、時間区間Ｔｐ７において、Ｐ６からＰ７まで上昇する（Ｐ６＜ｐ５＜Ｐ７）。その後、制御部７０は、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、Ｄ６（Ｄ４＜Ｄ６＜Ｄ５）に保つ。その結果、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、時間区間Ｔｐ８において、Ｐ７（Ｐ７＞Ｐ５）に保たれる。

このように、本実施例では、水の排出が完了し開閉弁５０からガスが排出され始めたことを圧力の低下率に基づいて検知して、さらに系の圧力を高くする（図４の時間区間Ｔｐ６〜Ｔｐ８参照）。このため、開閉弁５０から効率的にガスを排出することができる。

その後、制御部７０は、弁用マップＭｖにしたがって開閉弁５０を閉じるべき時刻ｔ１０に先だって、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力を低下させる。具体的には、時刻ｔ９（ｔ９＜ｔ１０）で、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、それまでのデューティ比Ｄ６からＤ０に低下させる。その結果、時間区間Ｔｐ９において、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、Ｐ７からＰ０（Ｐ０＜Ｐ７）に低下する。そして、時刻ｔ９以降の時間区間Ｔｐ１０において、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、Ｐ０に保たれる。なお、図４の例においては、燃料電池２２の発電状態は、一貫して変わっていないものとする。

その後、時刻ｔ１０において、制御部７０は、開閉弁５０を閉じる。このように、本実施例では、開閉弁５０を閉じるのに先立って、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを下げ、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを低くする（図４の時間区間Ｔｐ９，Ｔｐ１０参照）。このため、開閉弁５０を閉じた直後にアノード排ガス路６３ｅおよび気液分離器２７内の圧力Ｐｅが高くなる事態を防止できる。

図５は、開閉弁５０内の圧力Ｐｅがある値であるときの、単位時間当たりのガスおよび水の排出量を示すグラフである。縦軸が、単位時間当たりのガスおよび水の排出量を表す。横軸が時間を表す。グラフＱｇは、開閉弁５０からガスのみが排出されているときの、単位時間当たりのガスの排出量の変化を表す。グラフＱｗは、開閉弁５０から水とガスが排出されているときの、単位時間当たりのガスおよびの排出量の変化を表す。

グラフＱｇより、開閉弁５０からガスのみが排出されているときの、単位時間当たりのガスの排出量は、時間とともに増大することが分かる。これに対して、グラフＱｗより、開閉弁５０から水とガスが排出されているときの、単位時間当たりのガスの排出量は、所定量に達した後はほとんど増大しないことが分かる。これは、排出される水の中でキャビテーションが生じて、開閉弁５０からの水およびガスの排出を阻害するためである。キャビテーションは、開閉弁５０の内外での圧力差が所定値より大きいと発生しやすくなる。なお、キャビテーションが生じると、騒音も増大し、開閉弁５０を構成する各部材の腐食も進行しやすくなる。

このため、図４の時間区間Ｔｐ５におけるインジェクタ６２のデューティ比Ｄ４は、開閉弁５０内の圧力Ｐｅが、キャビテーションが生じやすくなる値より低くなるように、設定される。より具体的には、インジェクタ６２のデューティ比Ｄ４は、以下のように定められる。

インジェクタ６２の下流側、すなわち燃料電池２２の上流側の水素ガスの圧力Ｐｏがある値であるときの、インジェクタ６２より下流で、かつ気液分離器２７までの圧力損失（主として燃料電池２２による圧力損失）は、あらかじめ測定することができる。このため、気液分離器２７の開閉弁５０内の圧力Ｐｅが、キャビテーションが生じる値未満となるように、燃料電池２２などの圧力損失を考慮して、インジェクタ６２の下流側（燃料電池２２の上流側）の水素ガスの目標圧力Ｐｏｔが定められる。そして、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力がＰｏｔとなるように、インジェクタ６２のデューティ比Ｄ４が、定められる。

これに対して、開閉弁５０からガスのみ排出されるときのインジェクタ６２のデューティ比Ｄ６には、キャビテーションの発生に関する制限はない（図４の時間区間Ｔｐ８参照）。よって、デューティ比Ｄ６は、デューティ比Ｄ４よりも、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを高くするように設定される（Ｐ７＞Ｐ５，Ｄ６＞Ｄ４）。このようにインジェクタ６２のデューティ比Ｄ４，Ｄ６を設定することで、開閉弁５０から水とガスが排出されているときには、キャテーションを生じさせることなく、効率的に水とガスを排出することができる。そして、開閉弁５０からガスのみが排出されているときには、さらに高い圧力で、効率的にガスを排出することができる。

一方、デューティ比Ｄ６は、希釈器２６、および燃料電池２２に圧縮空気を供給するエアコンプレッサ２４等の性能に基づいて、以下のような制限下で設定される。すなわち、図４においては、デューティ比Ｄ６は、技術の理解を容易にするため一定値として示した。しかし、実際には、制御部７０は、希釈器２６から排出される排ガスの水素濃度が、所定値（たとえば、３．９％）未満となるように、デューティ比Ｄ６を制御する。

図６は、希釈器２６から排出される排ガス中の水素濃度Ｄｈを表すグラフである。縦軸が水素濃度Ｄｈを表す。横軸が時間を表す。図４の時刻ｔ３で開閉弁５０が開かれると、開閉弁５０からは、最初はほとんど水のみが排出される。その時間区間は、図６の時間区間Ｔｐ６１に相当する。その後、開閉弁５０からガスが排出され始めると、希釈器２６から排出される排ガスの水素濃度Ｄｈは、急激に上昇する（図６の時間区間Ｔｐ６２参照）。そして、制御部７０の水素濃度に関する制御が介入すると、希釈器２６から排出される排ガスの水素濃度Ｄｈは、一端低下する（図６の時間区間Ｔｐ６３参照）。そして、その後、希釈器２６から排出される排ガスの水素濃度Ｄｈは、所定値未満に保たれる（図６の時間区間Ｔｐ６４参照）。

カソード排ガスの単位時間当たりの供給量が一定であるとすると、希釈器２６から排出される排ガスの水素濃度は、開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの量に比例する。そして、開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの量は、開閉弁５０内外の圧力差に比例する。開閉弁５０外部の圧力、すなわち、気液排出路６４および希釈器２６内の圧力Ｐｅは、燃料電池システムの運転条件に基づいて知ることができる。一方、開閉弁５０内の圧力も、前述のように、インジェクタ６２の下流側、すなわち燃料電池２２の上流側の水素ガスの圧力Ｐｏに基づいて、知ることができる。よって、制御部７０は、開閉弁５０内の圧力と気液排出路６４の圧力Ｐｅとの差が、希釈後の排ガスの水素濃度３．９％に相当する所定値未満となるように、インジェクタ６２のデューティ比Ｄ６を制御する。

図７は、開弁時間の改変を示すグラフである。縦軸は開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの量を表す。横軸は時間を表す。前述のように、開閉弁５０を開く時間Ｔｖｏは、弁用マップＭｖに基づいて定められる。たとえば、時間Ｔｖｏだけ開閉弁５０を開くように、弁用マップＭｖに基づいて、開弁の制御の内容が定められたとする。

しかし、その後の燃料電池２２の運転状態によっては、弁用マップＭｖに基づいて定められた時間Ｔｖｏでは、希釈後の排ガスの水素濃度を３．９％未満に維持しつつ、不純物を十分に系外に排出できない場合が生じうる。より具体的には、時間Ｔｖｏで不純物を十分に系外に排出するには、単位時間当たりの水素ガスの排出量がＱｏである必要があり、その場合には、希釈後の排ガスの水素濃度が３．９％を超えてしまう場合がある。そのような場合には、制御部７０は、前述のように、希釈後の排ガスの水素濃度を３．９％未満にできるようにインジェクタ６２のデューティ比Ｄ６を制御しつつ、開閉弁５０を開く時間を、弁用マップＭｖに基づいて定められた時間Ｔｖｏから延長する。その結果、単位時間当たりＱｏｒ（Ｑｏｒ＜Ｑｏ）だけの排出量となるように各部が制御され、時間Ｔｖｏｒ（Ｔｖｏｒ＞Ｔｖｏ）だけ開閉弁５０が開かれる。

このような制御を行うことで、希釈後の排ガスの水素濃度を所定値未満に保ちつつ、燃料ガス循環系から不純物を排出して、燃料電池に供給する水素ガスの濃度を一定値以上にすることができる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムにおいては、目標圧力を維持するためのインジェクタ６２のフィードバック制御の内容、開閉弁５０が開いたことを検知する方法（図４の時刻ｔ４参照）、ならびに開閉弁５０を閉じるタイミングの決定方法が、第１実施例の燃料電池システム１０とは異なる。ハードウェア構成を含む第２実施例の燃料電池システムの他の点は、第１実施例の燃料電池システム１０と同じである。

Ｂ１．目標圧力を維持するためのインジェクタの制御と開弁の検知：
図８は、第２実施例において、制御部７０が行うインジェクタ６２の制御の内容を示すチャートである。図８において、図４と同じ符号は、図４と同じ対象を表す。なお、図８において、第１実施例におけるインジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏと、デューティ比Ｄｉとを、参考のために破線で示す。

第２実施例においては、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを目標圧力に制御するためのインジェクタ６２の制御において、第１実施例よりも応答速度が速いフィードバック制御が行われる。なお、第２実施例においては、インジェクタ６２のフィードバック制御は、インジェクタ６２の下流側の圧力センサ６６ｂが測定した水素ガスの圧力Ｐｏと、目標圧力と、の差を表す信号を、フィードバック信号として、行われる。

第２実施例においては、時刻ｔ３で開閉弁５０が開かれて、水やガスが排出され始め、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏがわずかに低下すると、制御部７０は、デューティ比Ｄｉをより高い値にする。そして、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏが、目標圧力であるＰ２を維持するように、制御部７０は、デューティ比Ｄｉを設定する。その結果、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏは、ほとんど低下せず、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉは、Ｄ２からＤ２ｆ（Ｄ２ｆ＞Ｄ２）に変化する（図８の時間区間Ｔｐ３参照）。

インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉがフィードバック制御によって所定のしきい値Ｔｈｄよりも高い値に達したことを検知すると、制御部７０は、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、さらに高いＤ３ａ（Ｄ２ｆ＜Ｄ３ａ＜Ｄ３）に上昇させる（図８の時刻ｔ４）。なお、しきい値Ｔｈｄとしては、開閉弁５０を開く前のデューティ比Ｄ２よりも大きく、開閉弁５０を開いた後の初期の段階で想定されるデューティ比Ｄ２ｆよりも小さい値が、設定される。インジェクタ６２のデューティ比ＤｉがＤ３ａとされると、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏが、時間区間Ｔｐ４において、Ｐ２からＰ５まで上昇する（Ｐ５＞Ｐ０）。

このような態様とすれば、第１実施例のように圧力センサ６６ｂの測定値を使用することなく、インジェクタ６２の制御状態（より具体的にはデューティ比）に基づいて開閉弁５０を開いたことを検知し（時間区間Ｔｐ３参照）、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを、開弁前より高くすることができる（時間区間Ｔｐ４参照）。

Ｂ２．閉弁の決定：
第２実施例においては、制御部７０は、以下で説明する条件が満たされた場合は、開弁からの時間が、弁用マップＭｖにしたがって定められた時間Ｔｖｏに達していなくても、開閉弁５０を閉じる。

（ｉ）開閉弁から排出されるガスの平均分子量：
開閉弁５０内のガスは、燃料ガスとしての水素ガスと、不純物としての窒素ガスおよび水蒸気と、を含む。水素ガスの分子量は２である。窒素ガスの分子量は１４である。水蒸気（水）の分子量は１８である。このため、排気弁から排出されるガスの平均分子量は、２〜１８である。一方で、燃料ガスとしての水素ガスの分子量は２である。

図９は、開閉弁５０が開かれた直後に開閉弁５０から排出されるガスの内容と、開閉弁５０が閉じられる直前に開閉弁５０内から排出されるガスの内容とを表すグラフである。図９の縦軸は、単位時間当たりのガスの流量である。右側のグラフが、開閉弁５０が開かれた直後に開閉弁５０から排出されるガスの内容を表す。左側のグラフが、開閉弁５０が閉じられる直前に開閉弁５０内から排出されるガスの内容を表す。

開閉弁５０の開弁時に、燃料ガス循環系から、不純物を多く含むガスが排気弁を介して排出され、その系に、水素タンク２３からの高圧の燃料ガスが供給されると（図８の時間区間Ｔｐ５，Ｔｐ８参照）、系内において、窒素ガスの量が減少し、水素ガスの量が増加する（図９参照）。なお、燃料電池２２における発電量が変わらないとすると、単位時間当たりの水の生成量は変わらない。このため、図９のグラフにおいて水の量は変わっていない。

上記のような燃料ガス循環系におけるガスの入れ替えが進むと、開閉弁５０を介して排出されるガスの平均分子量ｍは、徐々に水素の分子量２に近づく。すなわち、平均分子量ｍは、徐々に小さくなる。この平均分子量ｍが所定値よりも小さくなったときには、燃料ガス循環系から不純物は十分に排出されたと判断することができる。

一方、開閉弁５０から排出されるガスの平均分子量ｍの平方根は、開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの流量Ｑに反比例する。以下で、開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの流量Ｑの決定方法について、窒素ガス、水蒸気、水素ガスに分けて説明する。

（ｉｉ）開閉弁から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量：
図１０は、制御部７０が有する、開閉弁５０から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量ｑｎに関するマップＭｎを表す図である。図１０の縦軸は、開閉弁５０から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量ｑｎを表す。図１０の横軸は、燃料電池２２の冷却水の温度Ｔｗを表す。開閉弁５０から排出されるガスのうち、窒素は、主として燃料電池２２において生じるクロスリークにより、燃料ガス循環系に混入する。窒素のクロスリークの量は、燃料電池２２の温度と相関がある。そして、燃料電池２２の温度は、冷却水路４１に設けられた温度センサ４３が検出する冷却水の温度Ｔｗに基づいて決定することができる。

よって、燃料電池システムの構成が決まれば、燃料電池２２の冷却水の温度Ｔｗから、開閉弁５０から排出される窒素ガスの単位時間当たりの量ｑｎを決定するマップＭｎ（図１０参照）を作成することができる。制御部７０は、あらかじめそのようにして設けられた窒素ガス用のマップＭｎを保持している。

（ｉｉｉ）開閉弁から排出される水蒸気の単位時間当たりの量：
図１１は、制御部７０が有する、開閉弁５０から排出される単位時間当たりの水蒸気の量ｑｗに関するマップＭｗ１，Ｍｗ２，Ｍｗ３を表す図である。図１１の縦軸は、開閉弁５０から排出される水の単位時間当たりの量ｑｗを表す。図１１の横軸は、燃料電池２２の単位時間当たりの発電量Ｐｇを表す。開閉弁５０から排出されるガスのうち、水蒸気は、主として燃料電池２２における発電によって生成される水に起因する。この水蒸気の量は、燃料電池２２における発電量Ｐｇおよび燃料電池２２の温度と相関がある。燃料電池２２における発電量は、電流計３５が検出する電流量を単位時間だけ時間で積分して得られる量に基づいて、決定することができる。燃料電池２２の温度は、温度センサ４３が検出する冷却水の温度Ｔｗに基づいて決定することができる。

よって、燃料電池システムの構成が決まれば、燃料電池２２の発電量（電流量）と、燃料電池２２の冷却水の温度Ｔｗから、開閉弁５０から排出される単位時間当たりの水蒸気の量ｑｗを決定するマップＭｗ１，Ｍｗ２，Ｍｗ３（図１１参照）を作成することができる。それぞれ発電量Ｐｇと水蒸気量の関係を表すマップＭｗ１，Ｍｗ２，Ｍｗ３は、互いに異なる冷却水温度Ｔｗ１，Ｔｗ２，Ｔｗ３に対応する（Ｔｗ１＜Ｔｗ２＜Ｔｗ３）。ここでは、技術の理解を容易にするために、発電量Ｐｇと水蒸気量の関係を表すマップを３個のみ示した。しかし、実際には、より多くのマップが生成される。それら発電量Ｐｇと水蒸気量の関係を表すマップを水蒸気用のマップＭｗと総称する。制御部７０は、あらかじめ設けられた水蒸気用のマップＭｗを保持している。

（ｉｖ）開閉弁から排出される水素ガスの単位時間当たりの量：
開閉弁５０から排出されるガスのうち、水素ガスの量は、インジェクタ６２を介して燃料電池２２に供給された水素と、燃料電池２２における発電によって消費された水素との差として得られる。そして、インジェクタ６２を介して燃料電池２２に供給された水素の量は、インジェクタ６２の前後における圧力差を単位時間だけ時間で積分して得られる量に基づいて、決定することができる。ここで、インジェクタ６２の上流側の圧力は、圧力センサ６６ａで得ることができる。インジェクタ６２の下流側の圧力は、圧力センサ６６ｂで得ることができる。また、燃料電池２２における発電によって消費された水素の量は、燃料電池２２における発電量に基づいて決定することができる。そして、燃料電池２２における発電量は、電流計３５が検出する電流量を時間で積分して得られる量に基づいて、決定することができる。

よって、燃料電池システムの構成が決まれば、燃料電池２２の発電量（電流量）と、冷却水の温度Ｔｗと、インジェクタ６２の上流側と下流側の圧力とから、開閉弁５０から排出される水素ガスの単位時間当たりの量ｑｈを決定するマップＭｈを作成することができる。制御部７０は、あらかじめそのようにして設けられた水素ガス用のマップＭｈを保持している。

（ｖ）閉弁の決定：
以上より、制御部７０は、マップＭｎ，Ｍｗ，Ｍｈを参照しつつ、温度センサ４３が検出する冷却水の温度と、電流計３５が検出する電流量と、圧力センサ６６ａ，６６ｂが検出する圧力と、から、開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの流量Ｑを得ることができる。

第２実施例においては、制御部７０は、温度センサ４３が検出する冷却水の温度と、電流計３５が検出する電流量と、圧力センサ６６ａ，６６ｂが検出する圧力と、に基づいてパラメータＰｖｃを計算する。このパラメータＰｖｃは、開閉弁５０から排出されるガスの単位時間当たりの流量Ｑを表す。よって、パラメータＰｖｃは、開閉弁５０から排出されるガスの平均分子量ｍの平方根に反比例する。

制御部７０は、制御部７０は、開弁からの時間が、弁用マップＭｖにしたがって定められた時間Ｔｖｏに達していなくても、パラメータＰｖｃが所定のしきい値Ｔｈｃを上回ったときに開閉弁５０を閉じる（図８の時刻ｔ１０ｂ参照）。このような態様とすることで、開閉弁５０から排出されるガスの平均分子量ｍが所定値よりも小さくなり、燃料ガス循環系を循環するガスから不純物が十分に排出されたときに、開閉弁５０を閉じることができる。このため、燃料ガスとしての水素ガスが、燃料ガス循環系から過剰に排出されることを防止することができる。また、燃料ガス循環系から高濃度の水素ガスが排出されることを防止することができる。

なお、第２実施例において、開閉弁５０を閉じるべき時刻ｔ１０ｂに先だって、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、デューティ比Ｄ６からＤ０に低下させ、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力を低下させる点は、第１実施例と同様である（図８の時刻ｔ９ｂ参照）。図８に示された時刻または時間区間のうち、図４に示された時刻または時間区間に相当するものについては、末尾に「ｂ」を付けて示す。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、開弁後、インジェクタ６２の下流側の圧力Ｐｏの単位時間当たりの低下幅が、所定のしきい値Ｔｒ６より大きくなったことを検知して、液体の水の排出が完了したことを検知し、デューティＤｉを上げている（図４および図８のＴｐ６参照）。しかし、開弁後、デューティＤｉを上げる時刻は、あらかじめ定めることもできる。

図１２は、冷却水温Ｔｗが５０度のときの、液分離器２７から排水すべき液体の水の量ｑＬを示すグラフである。液分離器２７から排水すべき液体の水も、主として燃料電池２２における発電によって生成される水に起因する。この排出すべき液体の水の量ｑＬも、燃料電池２２における発電量および燃料電池２２の温度と相関がある。たとえば、発電量（電流量）および燃料電池２２の温度（冷却水温）が一定であるとすると、図１２に示すように、排水すべき水の量ｑＬは、時間の経過とともに増大する。電流量は、電流計３５で検出することができる。燃料電池２２の温度は、温度センサ４３が検出する冷却水の温度Ｔｗに基づいて決定することができる。

よって、燃料電池システムの構成が決まれば、燃料電池２２の発電量（電流量）と、燃料電池２２の冷却水の温度Ｔｗから、排水すべき液体の水の量ｑＬを決定するマップＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３（図１２参照）を作成することができる。それぞれ経過時間と水の量ｑＬの関係を表すマップＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３は、互いに異なる電流値ＴＬ１，ＴＬ２，ＴＬ３に対応する（ＴＬ１＜ＴＬ２＜ＴＬ３）。ここでは、技術の理解を容易にするために、経過時間と水の量ｑＬの関係を表すマップを３個のみ示した。しかし、実際には、より多くのマップが生成される。それら経過時間と水蒸気量の関係を表すマップを水蒸気用のマップＭＬと総称する。制御部７０は、あらかじめ設けられた水蒸気用のマップＭＬを保持し、それに基づいて、デューティＤｉを高めるべき時刻（図４および図８のｔ４参照）を決定することもできる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、燃料電池２２に圧力を調整した燃料ガスを供給するのは、ＰＷＭ制御が可能なインジェクタ６２である。しかし、燃料電池２２に圧力を調整した燃料ガスを供給する構成は、他の方式による圧力調整弁とすることもできる。

Ｃ３．変形例３：
上記第２実施例では、インジェクタ６２のデューティＤｉに基づいて、開閉弁５０が開いたことを検知している（図８の時間区間Ｔｐ３参照）。しかし、開閉弁５０が開いたことの検知は、他の方法で行うこともできる。たとえば、インジェクタ６２の下流側の圧力センサ６６ｂが測定した水素ガスの圧力Ｐｏと、その目標圧力と、の差が、所定値よりも大きくなったことを検知して、開閉弁５０が開いたことを検知することもできる。より具体的には、インジェクタ６２のフィードバック信号をモニタすることにより、そのような制御を行うことができる。

このような態様としても、第１実施例のように圧力センサ６６ｂの測定値を使用することなく、開閉弁５０を開いたことを検知して、インジェクタ６２の下流側の水素ガスの圧力Ｐｏを、開弁前より高くすることができる。

Ｃ４．変形例４：
上記第１実施例においては、インジェクタ６２と燃料電池２２との間の圧力の変化を、圧力センサ６６ｂによって検知することで、開閉弁５０が開いたことを検知している（図４の時間区間Ｔｐ３参照）。しかし、開閉弁５０が開いたことを検知するための圧力センサは、燃料電池２２の下流側など、他の部位について設けることもできる。すなわち、燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を測定するセンサとすることもでき、燃料電池から排出される燃料排ガスの圧力を測定するセンサとすることもできる。

開閉弁５０が開いたことを検知するための圧力センサは、圧力制御部としてのインジェクタ６２の下流側に設けることができる。ただし、圧力センサは、燃料電池２２の上流側に設けることが好ましい。そのような態様とすれば、アノードガス循環系に含まれる水が凍結することにより、圧力センサが誤動作する事態を防止することができる。

Ｃ５．変形例５：
上記第１実施例においては、インジェクタ６２の下流側の圧力Ｐｏの単位時間当たりの低下幅が、所定のしきい値Ｔｒ６より大きくなったことを検知すると、制御部７０は、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを、Ｄ４からＤ５に上昇させる（図４の時間区間Ｔｐ６，Ｔｐ７参照）。しかし、排水後、インジェクタ６２のデューティ比Ｄｉを上げるタイミングは、他の方法で検知することもできる。

たとえば、燃料ガス循環系の圧力が所定値よりも低下したことを検知して、圧力制御部に圧力を上げさせる態様とすることもできる。また、圧力制御部のフィードバック制御の応答速度が十分に速い場合には、第２実施例の開弁の検知のように、圧力制御部の状態（デューティＤｉ）やフィードバック信号に基づいて、排水を検知することもできる。また、開弁後、所定の時間が経過したことによって、排水が完了したと推定し、次の制御を行うこともできる。

なお、実施例および変形例で説明した開弁の検知（図４および図８の時間区間Ｔｐ３参照）の方法と、排水の検知（図４および図８の時間区間Ｔｐ６参照）の方法については、それぞれの目的のために他方の方法を適用することもできる。

Ｃ６．変形例６：
上記実施例においては、燃料電池２２の温度は、冷却水の温度Ｔｗに基づいて決定されている。しかし、燃料電池２２の温度は、他の方法で決定されることもできる。そして、燃料電池２２の温度は、その温度が燃料電池２２の温度と相関を有する他の構成（たとえば、冷却水や冷却水配管、その他燃料電池２２に取りつけられる構造）の温度に基づいて決定することができる。

Ｃ７．変形例７：
以上では、本願発明をその好ましい例示的な実施例を参照して詳細に説明した。しかし、本願発明は、以上で説明した実施例や構成に限定されるものではない。そして、本願発明は、様々な変形や均等な構成を含むものである。さらに、開示された発明の様々な要素は、様々な組み合わせおよび構成で開示されたが、それらは例示的な物であり、各要素はより多くてもよく、また少なくてもよい。そして、要素は一つであってもよい。それらの態様は本願発明の範囲に含まれるものである。

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
   前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池に発電を行わせている際に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が所定の圧力となるように、前記圧力制御部をフィードバック制御し、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第１の圧力であるときに前記排気弁を開き、
   前記フィードバック制御におけるフィードバック信号と、前記圧力制御部の運転状態と、の少なくとも一方の変化であって、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの量を増大させる変化に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知して、前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とする、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサを備えており、
   前記制御部は、前記圧力センサによって得られる測定値の低下に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知する、燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第２の圧力にした後、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁が開いた状態において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第２の圧力よりも高い第３の圧力にする、燃料電池システム。
4. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
   前記圧力制御部の下流において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスと前記燃料排ガスとの少なくとも一方の圧力を検知するための圧力センサと、
   前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第１の圧力であるときに前記排気弁を開き、
   前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とし、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を前記第２の圧力にした後であって、前記圧力センサによって得られる測定値の所定時間における低下幅が、所定のしきい値を超えた後に、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁が開いた状態において、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第２の圧力よりも高い第３の圧力にする、燃料電池システム。
5. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、
   前記燃料排ガス流路内を流れる前記排ガスの一部を前記燃料ガス流路に戻す環流路と、
   前記燃料電池の温度を決定するための温度センサと、
   前記燃料電池から流れる電流の量を決定するための電流計と、
   燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給される燃料ガスの圧力を測定する第１の圧力センサと、
   前記圧力制御部が前記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を測定する第２の圧力センサと、
   前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
   前記圧力制御部は、前記燃料ガス流路において前記燃料ガス供給源と前記燃料電池との間に設けられ、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとしての水素ガスを、制御された圧力で前記燃料電池に供給することができるインジェクタであり、
   前記制御部は、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第１の圧力であるときに前記排気弁を開き、
   前記圧力制御部を制御して、少なくとも前記排気弁を開いた後の所定の時間区間について、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力とし、
   前記開弁時に、前記排気弁からガスを排出しつつ、前記圧力制御部を介して前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に供給し、
   前記燃料ガス供給源から前記圧力制御部に供給された燃料ガスの圧力と、前記圧力制御部が前記燃料電池に供給した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池が流す電流と、に基づいて得られるパラメータであって、排出される前記ガスの単位時間当たりの流量を表すパラメータが、所定の値を上回ったときに、前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を閉じる前に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力をそれまでよりも低下させ、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が前記低下された状態において前記排気弁を閉じる、燃料電池システム。
7. 燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給すべき燃料ガスが流れる燃料ガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を制御することができる圧力制御部と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路に設けられ、開弁したときに、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気弁と、を備え、
   前記方法は、
   （ａ）前記燃料電池に発電を行わせている際に、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が所定の圧力となるように、前記圧力制御部をフィードバック制御する工程と、
   （ｂ）前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力が第１の圧力であるときに前記排気弁を開く工程と、
   （ｃ）前記フィードバック制御におけるフィードバック信号と、前記圧力制御部の運転状態と、の少なくとも一方の変化に基づいて、前記排気弁が開いたことを検知して、前記圧力制御部を制御して、前記排気弁を開いた後、前記燃料電池に供給すべき燃料ガスの圧力を、前記第１の圧力よりも高い第２の圧力にする工程と、を備える方法。

Images