JP6041696B2

JP6041696B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6041696B2
Application number: JP2013023512A
Authority: JP
Inventors: 信貴手嶋; 吉岡　衛; 衛吉岡; 重仁鈴木; 定嗣永田
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: JP2014154385A

Description

この発明は、電気自動車等の電源として使用される燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載される燃料電池の水素供給システムが知られている。このシステムは、電気自動車の電源として使用される燃料電池に水素ガスを燃料として供給する水素供給流路と、燃料電池から排出される水素オフガスを水素供給流路へ循環させる水素循環流路と、水素供給流路と水素循環流路との間に設けられたエゼクタと、エゼクタをバイパスするように水素供給流路に設けられたバイパス流路と、バイパス流路に設けられたバルブとを備える。この構成によれば、通常は水素供給流路を流れる水素ガスによってエゼクタを作動させてエゼクタに負圧を発生させることにより、燃料電池から水素オフガスを排出させて水素循環流路とエゼクタを介して水素供給流路へ水素オフガスを循環させるようになっている。一方、燃料電池に高出力が要求されるときには、バルブを開けてバイパス流路に水素ガスを流すことにより、燃料電池に供給される水素流量を増大させるようになっている。

特開２００１−２１０３４２号公報

ところが、特許文献１に記載の水素供給システムでは、燃料電池に高出力が要求されるときにも、燃料電池から排出される水素オフガスを水素循環流路とエゼクタを介して水素供給流路へ循環させなければならなかった。燃料電池からの水素オフガスの排出が滞ると燃料電池の発電機能が低下するからである。しかし、高出力要求時にバイパス流路へ大量の水素ガスを流すと、エゼクタを流れる水素ガスが少なくなり、その水素ガスの流速によってはエゼクタで十分な負圧が発生しなくなり、水素循環流路における水素オフガスの循環流量と応答性を確保することが難しくなる。その結果、燃料電池内部の生成水を効率よく排出できなくなり、燃料電池の発電が不安定になるおそれがあった。

そこで、例えば、水素循環流路に水素ポンプを設けて水素オフガスの循環を速めることで燃料電池からの水素オフガスの排出の応答性を高め、燃料電池内部の生成水の排出を確保することが考えられる。しかしながら、水素循環流路に水素ポンプを設けてそれを動作させることは、製造コストや消費電力を増大させることになってしまう。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料電池に高出力が要求されたときに燃料電池からエゼクタへの燃料オフガスの循環流量と応答性を確保しながら燃料電池へ応答性良く燃料ガスを供給することを可能とした燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料供給流路へ循環させるための第１燃料循環流路と、燃料供給流路と第１燃料循環流路との間に設けられたエゼクタと、エゼクタにおける燃料ガスの流速を調節するためのエゼクタ流速調節手段と、エゼクタを迂回するように燃料供給流路に設けられたバイパス流路と、バイパス流路における燃料ガスの流量を調節するためのバイパス流量調節手段と、燃料電池の出力を指令するための出力指令手段と、少なくともエゼクタ流速調節手段及びバイパス流量調節手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、制御手段は、出力指令手段により燃料電池の出力増が指令されたときに、バイパス流路に燃料ガスが流れるようにバイパス流量調節手段を制御すると共に、エゼクタにおける燃料ガスの流速が速くなるようにエゼクタ流速調節手段を制御し、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出するための燃料圧力検出手段を更に備え、制御手段は、出力指令手段により燃料電池の出力増が指令されてから燃料圧力検出手段により検出される燃料ガスの圧力が所定値以上となったときに、バイパス流路における単位時間当たりの燃料ガスの流量が減少するようにバイパス流量調節手段を制御すると共に、エゼクタにおける燃料ガスの流速が遅くなるようにエゼクタ流速調節手段を制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料電池の出力増が指令されたときに、バイパス流路に燃料ガスが流れると共に、エゼクタに燃料ガスが速やかに流れる。また、エゼクタを流れる燃料ガスによりエゼクタに適度な負圧が発生し、第１燃料循環流路を介して燃料オフガスが適度にエゼクタへ吸引されて循環する。従って、エゼクタより下流の燃料供給流路へは、バイパス流路とエゼクタを流れた燃料ガスが速やかに流れると共に、第１燃料循環流路とエゼクタを介して循環する燃料オフガスが速やかに流れ、それらが燃料電池へ供給される。また、燃料電池の出力増が指令されてから燃料ガスの圧力が所定値以上となったときに、バイパス流路における燃料ガスの流量が減少すると共に、エゼクタにおける燃料ガスの流速が遅くなる。従って、バイパス流路とエゼクタからエゼクタより下流の燃料供給流路へ流れる燃料ガスが減少し、エゼクタに吸引されて第１燃料循環流路を循環する燃料オフガスが減少する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料供給流路へ循環させるための第１燃料循環流路と、燃料供給流路と第１燃料循環流路との間に設けられたエゼクタと、エゼクタにおける燃料ガスの流速を調節するためのエゼクタ流速調節手段と、エゼクタを迂回するように燃料供給流路に設けられたバイパス流路と、バイパス流路における燃料ガスの流量を調節するためのバイパス流量調節手段と、燃料電池の出力を指令するための出力指令手段と、少なくともエゼクタ流速調節手段及びバイパス流量調節手段を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、記制御手段は、出力指令手段により燃料電池の出力増が指令されたときに、バイパス流路に燃料ガスが流れるようにバイパス流量調節手段を制御すると共に、エゼクタにおける燃料ガスの流速が速くなるようにエゼクタ流速調節手段を制御し、バイパス流量調節手段は、前記燃料ガスを噴射するための第１燃料噴射弁であり、エゼクタより上流の燃料供給流路に設けられて燃料ガスを噴射するための第２燃料噴射弁を更に備え、制御手段は、第１燃料噴射弁による燃料ガスの噴射と第２燃料噴射弁による燃料ガスの噴射とが互いに逆位相となるように第１燃料噴射弁と第２燃料噴射弁を制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料電池の出力増が指令されたときに、バイパス流路に燃料ガスが流れると共に、エゼクタに燃料ガスが速やかに流れる。また、エゼクタを流れる燃料ガスによりエゼクタに適度な負圧が発生し、第１燃料循環流路を介して燃料オフガスが適度にエゼクタへ吸引されて循環する。従って、エゼクタより下流の燃料供給流路へは、バイパス流路とエゼクタを流れた燃料ガスが速やかに流れると共に、第１燃料循環流路とエゼクタを介して循環する燃料オフガスが速やかに流れ、それらが燃料電池へ供給される。また、第１燃料噴射弁により燃料ガスを噴射することでバイパス流路における燃料ガスの流量と圧力が調節可能となる。更に、第１燃料噴射弁による燃料噴射と第２燃料噴射弁による燃料噴射とが互いに逆位相となるように第１燃料噴射弁と第２燃料噴射弁が制御されるので、バイパス流路における燃料ガスの圧力脈動とエゼクタにおける燃料ガスの圧力脈動とが、エゼクタより下流の燃料供給流路において互いに相殺し合う。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池に高出力が要求されたときに燃料電池からエゼクタへの燃料オフガスの循環流量と応答性を確保しながら燃料電池へ応答性良く燃料ガスを供給することができる。また、燃料電池で適度に発電を開始した後は、必要以上の燃料ガスが燃料電池に供給されることを防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池に高出力が要求されたときに燃料電池からエゼクタへの燃料オフガスの循環流量と応答性を確保しながら燃料電池へ応答性良く燃料ガスを供給することができる。また、燃料電池に対する燃料供給圧力を急激に高める必要がある場合に第１燃料噴射弁により対応することができる。更に、燃料ガスを圧力脈動を伴うことなく燃料電池へ安定的に供給することができる。

第１実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。同実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。同実施形態に係り、燃料電池に供給される水素供給流量とエゼクタへ流れる水素循環流量との関係を示すグラフ。第２実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。第３実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。第４実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。同実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。第５実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。第６実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。同実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。第７実施形態に係り、制御プログラムを示すフローチャート。同実施形態に係り、制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。別の実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明における燃料電池システムを具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池システムは、燃料電池（ＦＣ）１を備える。燃料電池１は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（エア）の供給を受けて発電を行うようになっている。燃料電池１で発電した電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータに供給されるようになっている。この駆動用モータは、別途の指令に基づいて制御されるようになっている。

燃料電池１のアノード側には、燃料電池１に水素ガスを供給するための本発明の燃料供給流路としての水素供給流路２と、燃料電池１から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を水素供給流路２へ循環させるための本発明の第１燃料循環流路としての第１水素循環流路３と、水素供給流路２と第１水素循環流路３との間に設けられたエゼクタ４とが設けられる。水素供給流路２には、水素タンク５から水素ガスが流れるようになっている。

エゼクタ４は、可変ノズル４ａを含む。可変ノズル４ａは、電磁弁より構成され、エゼクタ４における水素ガスの流速を調節するために開度可変となっている。この実施形態で、可変ノズル４ａは、本発明のエゼクタ流速調節手段に相当する。

水素供給流路２には、エゼクタ４を迂回するようにバイパス流路６が設けられる。バイパス流路６には、同流路６における水素ガスの流量を調節するための流量制御弁７が設けられる。この実施形態で、流量制御弁７は、本発明のバイパス流量調節手段に相当する。

水素循環流路３には、気液分離器８と逆止弁９が設けられる。気液分離器７は、水素オフガスから水分を分離し、水素オフガスのみをエゼクタ４へ向けて流し、水分を排出流路１０を介して外部へ排出するようになっている。排出流路１０には、電磁弁より構成される排気排水弁１１が設けられる。逆止弁９は、エゼクタ４からの水素ガスの逆流を防止するようになっている。この実施形態で、排出流路１０と排気排水弁１１は、本発明の排水手段に相当する。

エゼクタ４と燃料電池１との間の水素供給流路２には、第１水素圧力センサ１２が設けられる。第１水素圧力センサ１２は、燃料電池１に供給される水素ガスの供給圧力（水素供給圧力）Ｐ１を検出するようになっている。この実施形態で、第１水素圧力センサ１２は、本発明の燃料圧力検出手段に相当する。

第１水素循環流路３と水素供給流路２との間には、エゼクタ４を迂回するように第２水素循環流路１３が設けられる。第２水素循環流路１３は、気液分離器８より下流にて第１水素循環流路３から分岐して設けられる。第２水素循環流路１３には、水素ポンプ１４と逆止弁１５が設けられる。水素ポンプ１４は、水素オフガスを水素供給流路２へ向けて圧送するようになっている。逆止弁１５は、水素供給流路２からの水素ガスの逆流を防止するようになっている。この実施形態で、第２水素循環流路１３は、本発明の第２燃料循環流路に相当する。この実施形態で、水素ポンプ１４は、本発明の燃料ポンプに相当する。

水素タンク５とエゼクタ４との間の水素供給流路２には、第２水素圧力センサ１６が設けられる。第２水素圧力センサ１６は、エゼクタ４の上流側における水素ガスの圧力（エゼクタ上流水素圧力）Ｐ０を検出するようになっている。

一方、燃料電池１のカソード側には、燃料電池１に酸化剤ガスとしてのエアを供給するためのエア供給流路２１と、燃料電池１から排出されるエアオフガスを排出するためのエア排出流路２２とが設けられる。エア供給流路２１には、燃料電池１に対するエアの供給量を調節するためのエアポンプ２３が設けられる。エアポンプ２３より下流のエア供給流路２１には、エア圧力センサ２４が設けられる。エア圧力センサ２４は、燃料電池１へ供給されるエアの圧力（エア圧力）を検出するようになっている。また、エア排出流路２２には、電磁弁よりなる切換弁２５が設けられる。

上記構成において、水素タンク５の水素ガスは、水素供給流路２及びエゼクタ４を介して燃料電池１に供給可能となっている。また、水素タンク５の水素ガスは、水素供給流路２、バイパス流路６及び流量制御弁７を介して燃料電池１に供給可能となっている。燃料電池１に供給された水素ガスは、同電池１にて発電に使用された後、同電池１から水素オフガスとして第１水素循環流路３へ排出される。水素オフガスには燃料電池１の内部の生成水が含まれる。排出された水素オフガスは、気液分離器７にて水分（生成水を含む。）と分離された後、エゼクタ４を介して水素供給流路２へ循環可能となっている。このとき、水素オフガスは、エゼクタ４を流れる水素ガスによってエゼクタ４に負圧が発生することで、その負圧に吸引されて水素ガスに合流し、水素供給流路２へ循環される。また、気液分離器７にて水分と分離された水素オフガスは、水素ポンプ１４を駆動させることにより、第２水素循環流路１３を介して水素供給流路２へ循環可能となっている。第１水素循環流路３のみによって水素オフガスを循環させるか、第１水素循環流路３と第２水素循環流路１３の両方によって水素オフガスを循環させるかは、水素ポンプ１４を制御することで使い分けることができる。

この燃料電池システムは、コントローラ３０を更に備える。コントローラ３０は、第１水素圧力センサ１２、第２水素圧力センサ１６及びエア圧力センサ２４の検出信号をそれぞれ入力するようになっている。コントローラ３０は、燃料電池１の発電に係る電圧値及び電流値をそれぞれ入力するようになっている。また、コントローラ３０は、電気自動車の運転操作に係る指令値として、運転席に設けられたアクセルセンサ３１からアクセルペダル３２の操作量に相当するアクセル開度ＡＣＣを入力するようになっている。コントローラ３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを備え、燃料電池１へ供給される水素流量及びエア流量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいて可変ノズル４ａ、流量制御弁７、排気排水弁１１、水素ポンプ１４、エアポンプ２３及び切換弁２５等を制御するようになっている。すなわち、コントローラ３０は、燃料電池１に供給される水素流量を制御するために、あるいは、エゼクタ４における水素ガスの流速を調節するために、各水素圧力センサ１２，１６の検出信号等に基づいて可変ノズル４ａ、流量制御弁７及び水素ポンプ１４を制御するようになっている。また、コントローラ３０は、排出流路１０からの排気排水を調節するために排気排水弁１１を制御するようになっている。一方、コントローラ３０は、燃料電池１へ供給されるエアの流量（エア流量）を調節するために、エア圧力センサ２４の検出信号に基づいてエアポンプ２３を制御するようになっている。また、コントローラ３０は、エア排出流路２２からのエアオフガスの排出流量を調節するために切換弁２５を制御するようになっている。この実施形態で、コントローラ３０は、本発明の制御手段に相当する。また、アクセルセンサ３１及びアクセルペダル３２は、燃料電池１の出力を指令するための本発明の出力指令手段に相当する。

次に、燃料電池１に対する水素供給流量を制御するための制御プログラムについて説明する。図２に、この制御プログラムをフローチャートにより示す。

処理がこのルーチンへ移行すると、ステップ１００で、コントローラ３０は、電気自動車の急加速要求であるか、すなわち、燃料電池１の出力増が指令されたか否かを判断する。コントローラ３０は、アクセルセンサ３１により検出されるアクセル開度ＡＣＣに基づいてこの判断を行う。この判断結果が否定となる場合、コントローラ３０はその後の処理を終了する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０は処理をステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０で、コントローラ３０は、第１水素圧力センサ１２により検出される水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上か否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は処理をステップ１２０へ移行する。この判断が肯定となる場合、コントローラ３０は処理をステップ１４０へ移行する。

ステップ１２０では、コントローラ３０は、エゼクタ４の可変ノズル４ａを第１の開度Ａに開弁する。次に、ステップ１３０で、コントローラ３０は、流量制御弁７を第１の開度Ｂに開弁する。その後、コントローラ３０は、処理をステップ１１０へ戻し、ステップ１１０〜ステップ１３０の処理を繰り返す。

一方、ステップ１１０から移行してステップ１４０では、コントローラ３０は、第１水素圧力センサ１２により検出される水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂ（Ｐｂ＞Ｐａ）以上か否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は処理をステップ１５０へ移行する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０はその後の処理を終了する。

ステップ１５０では、コントローラ３０は、エゼクタ４の可変ノズル４ａを第２の開度Ｃ（Ｃ＞Ａ）に開弁する。すなわち、可変ノズル４ａの開度を、ステップ１２０の処理よりも拡げる。次に、ステップ１６０で、コントローラ３０は、流量制御弁７を第２の開度Ｄ（Ｄ＜Ｂ）に開弁する。すなわち、流量制御弁７の開度を、ステップ１３０の第１の開度Ｂよりも絞る。その後、コントローラ３０は、処理をステップ１４０へ戻し、ステップ１４０〜ステップ１６０の処理を繰り返す。

ここで、図３に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。燃料電池１の停止状態から、時刻ｔ１にて、図３（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がる。すると、図３（ｄ）に示すようにエゼクタ４の可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｅ）に示すように流量制御弁７の開度信号がゼロから第１の開度Ｂへ立ち上がる。これに伴い、図３（ｆ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１がゼロから増加し始め、同図（ｇ）に示すように水素循環流量が増加し始める。

その後、時刻ｔ２にて、図３（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａに達すると、同図（ｄ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａから増加し始め、同図（ｅ）に示すように流量制御弁７の開度信号が第１の開度Ｂから減少し始める。これに伴い、図３（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が、第１の所定値Ｐａから緩やかに増加し始め、同図（ｇ）に示すように水素循環流量が変わらずに増加を続ける。

そして、時刻ｔ３にて、図３（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂに達すると、同図（ｄ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａよりも大きい第２の開度Ｃで上げ止まり、同図（ｅ）に示すように流量制御弁７の開度信号が第１の開度Ｂよりも小さい第２の開度Ｄで下げ止まり、同図（ｇ）に示すように水素循環流量が上げ止まる。このように、燃料電池１に出力要求があったとき、図３（ｆ）,（ｇ）に示すように、燃料電池１に対する水素供給流量と水素循環流量を応答性良く確保することができる。

電気自動車の急加速時等には、燃料電池１で急速発電を行う必要があることから、燃料電池１へ相当量の水素ガスを応答性良く供給する必要がある。ここで、水素ポンプ１４を使用することなく、水素オフガスを水素供給流路２へ循環させるためには、第１水素循環流路３を介して適量の水素オフガスをエゼクタ４へ応答性良く流す必要がある。また、バイパス流路６を介して水素供給流路２へ水素ガスを流すことで、エゼクタ４を介することなく水素ガスを応答性良く燃料電池１へ供給することができる。しかし、エゼクタ４へ水素オフガスを応答性良く流すことができなければ、燃料電池１の生成水を排出しきれず、燃料電池１の発電が不安定になってしまう。

そこで、上記制御によれば、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されたときに、バイパス流路６に水素ガスが流れるように流量制御弁７を比較的大きく開弁すると共に、エゼクタ４における水素ガスの流速が速くなるように可変ノズル４ａを比較的小さく開弁するようになっている。詳しくは、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されたとき、初めに流量制御弁７を大き目の第１の開度Ｂに開いて水素ガスをバイパス流路６に流すと共に、可変ノズル４ａを小さ目の第１の開度Ａに開いて水素ガスをエゼクタ４にも速い流速で流す。これにより、水素ガスをバイパス流路６と水素供給流路２を介して燃料電池１へ供給すると共に、エゼクタ４に水素ガスを流して第１水素循環流路３を介して水素供給流路２へ水素オフガスを循環させる。その後、コントローラ３０は、水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａから第２の所定値Ｐｂとなるように流量制御弁７及び可変ノズル４ａの開度を制御するようになっている。そして、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されてから、第１水素圧力センサ１２により検出される水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂ以上となったときに、バイパス流路６における単位時間当たりの水素ガスの流量が減少するように流量制御弁７を制御すると共に、エゼクタ４における水素ガスの流速が遅くなるように可変ノズル４ａを制御するようになっている。詳しくは、コントローラ３０は、流量制御弁７を大き目の第１の開度Ｂから小さ目の第２の開度Ｄへ絞ると共に、可変ノズル４ａを小さ目の第１の開度Ａから大き目の第２の開度Ｃへ拡大する。

図４に、燃料電池１に供給される水素供給流量とエゼクタ４へ流れる水素循環流量との関係をグラフにより示す。燃料電池１の出力増が指令されると、流量制御弁７と可変ノズル４ａが開き、水素供給流量と水素循環流量が第１の所定値Ｑ１となるように流量制御弁７と可変ノズル４ａの開度が制御される。このとき、バイパス流路６を流れる水素流量（水素ガスを含む）とエゼクタ４を流れる水素流量（水素ガスと水素オフガスを含む）の合計が燃料電池１が要求する水素供給流量に一致する。この場合、燃料電池１へ水素ガスを瞬時に供給することができると共に、エゼクタ４へ水素オフガスをある程度流すことができる。その後、水素供給流量と水素循環流量が第２の所定値Ｑ２となるように流量制御弁７と可変ノズル４ａの開度が制御される。このとき、可変ノズル４ａは、ノズル面積が拡大する方向へ制御される。この場合、燃料電池１に対する必要な水素供給流量を確保しながら、エゼクタ４への水素オフガスの循環流量を確保することができる。

以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、アクセルペダル３２により燃料電池１の出力増が指令されたときに、流量制御弁７と可変ノズル４ａが制御されることにより、バイパス流路６に水素ガスが流れると共に、エゼクタ４に水素ガスが速やかに流れる。また、エゼクタ４を流れる水素ガスによりエゼクタ４に適度な負圧が発生し、第１水素循環流路３を介して水素オフガスが適度にエゼクタ４へ吸引されて循環する。従って、エゼクタ４より下流の水素供給流路２へは、バイパス流路６とエゼクタ４を流れた水素ガスが速やかに流れると共に、第１水素循環流路３とエゼクタ４を介して循環する水素オフガスが速やかに流れ、それらが燃料電池１へ供給される。このため、燃料電池１に高出力が要求されたときに、燃料電池１からエゼクタ４への水素オフガスの循環流量と応答性を確保しながら燃料電池１へ応答性良く水素ガスを供給することができる。

また、この実施形態では、燃料電池１の出力増が指令されてから第１水素圧力センサ１２により検出される水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂ以上となったときに、流量制御弁７と可変ノズル４ａが制御されることにより、バイパス流路６における水素ガスの流量が減少すると共に、エゼクタ４における水素ガスの流速が遅くなる。従って、バイパス流路６とエゼクタ４からエゼクタ４より下流の水素供給流路２へ流れる水素ガスが減少すると共に、エゼクタ４に吸引されて第１水素循環流路３を循環する水素オフガスが減少する。このため、燃料電池１で適度に発電を開始した後は、必要以上の水素ガスが燃料電池１に供給されることを防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。

この実施形態では、制御プログラムの処理内容の点で第１実施形態と異なる。図５に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図５に示すフローチャートは、ステップ１１５とステップ１３５の処理内容を加えた点で図２のフローチャートと異なる。

図５に示すように、この実施形態では、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１２０及びステップ１３０の処理を実行する前に、ステップ１１５で、水素ポンプ１４を駆動する。

一方、ステップ１１０の判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１４０〜ステップ１６０の処理を実行する前に、ステップ１３５で、水素ポンプ１４を停止させる。

ここで、図６に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。燃料電池１の停止状態から、時刻ｔ１にて、図６（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がる。すると、図６（ｄ）に示すように水素ポンプ１４が駆動を開始して回転速度がゼロから所定値Ｎに立ち上がり、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すように流量制御弁７の開度信号がゼロから第１の開度Ｂへ立ち上がる。これに伴い、図６（ｇ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｈ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、時刻ｔ２にて、図６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａに達すると、同図（ｄ）に示すように水素ポンプ１４が停止して回転速度がゼロへ向けて下がり、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａから増加し始め、同図（ｆ）に示すように流量制御弁７の開度信号が第１の開度Ｂから減少し始める。これに伴い、図６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が、第１の所定値Ｐａから緩やかに増加し始め、同図（ｈ）に示すように水素循環流量が変わらずに増加を続ける。

そして、時刻ｔ３にて、図６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂに達すると、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａよりも大きい第２の開度Ｃで上げ止まり、同図（ｆ）に示すように流量制御弁７の開度信号が第１の開度Ｂよりも小さい第２の開度Ｄで下げ止まり、同図（ｆ）に示すように水素循環流量が上げ止まる。このように、燃料電池１に出力要求があったとき、図６（ｇ）,（ｈ）に示すように、燃料電池１に対する水素供給流量と水素循環流量を応答性良く確保することができる。

上記制御によれば、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されたときに、第１実施形態の処理内容に加え、水素ポンプ１４を駆動制御するようになっている。また、コントローラ３０は、その後、第１水素圧力センサ１２により検出される水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上となったときに、水素ポンプ１４を停止させるようになっている。詳しくは、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されたときに、初めに流量制御弁７を大きめの第１の開度Ｂに開いてバイパス流路６に水素ガスを流すと共に、可変ノズル４ａを小さめの第１の開度Ａに開いてエゼクタ４にも水素ガスを速い流速で流し、加えて、水素ポンプ１４を駆動させる。その後、コントローラ３０は、水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上になると水素ポンプ１４を停止させ、水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂとなるように流量制御弁７及び可変ノズル４ａの開度を制御するようになっている。

以上説明したようにこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第１実施形態の作用効果に加えて次のような作用効果を得ることができる。すなわち、水素ポンプ１４を制御することにより、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環と、第２水素循環流路１３を介しての水素オフガスの循環とを適宜制御することができる。例えば、低流量の水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる必要がある場合には、水素ポンプ１４を駆動させて第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介して水素オフガス循環させることができる。また、中・高流量の水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる必要がある場合には、水素ポンプ１４を停止させて第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介して水素オフガスを循環させることができる。このため、電気自動車の運転状態に応じて水素ポンプ１４の駆動及び停止を制御することにより、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環と、第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介しての水素オフガスの循環とを使い分けることができる。

また、この実施形態では、燃料電池１の出力増が指令されたときに水素ポンプ１４が駆動制御されるので、水素オフガスが第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介して水素供給流路２へ速やかに循環され、その分だけ燃料電池１に多くの水素ガスが供給される。このため、燃料電池１に対する水素ガス供給の応答性を更に向上させることができる。

更に、この実施形態では、第１水素圧力センサ１２により検出される水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上となったときに水素ポンプ１４が停止されるので、第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介して水素供給流路２へ循環される水素オフガスが速やかに遮断され、その分だけ燃料電池１に供給される水素ガスが減少する。このため、エゼクタ４を介して水素オフガスの循環流量を確保できるようになったところで水素ポンプ１４を停止することにより、水素ポンプ１４に使用する電力を削減することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、制御プログラムの処理内容の点で前記各実施形態と異なる。図７に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図７に示すフローチャートは、ステップ１０５、ステップ１０６及びステップ１７０〜ステップ１７５の処理内容の点で図５のフローチャートと異なる。

図７に示すように、この実施形態では、ステップ１００の判断結果が肯定となる場合、ステップ１０５で、コントローラ３０は、第２水素圧力センサ１６により検出されるエゼクタ上流水素圧力Ｐ０が第３の所定値Ｐｓよりも高いか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、処理をステップ１０６へ移行する。この判断が肯定となる場合、コントローラ３０は、処理をステップ１１０へ移行する。

ステップ１０６では、コントローラ３０は、エゼクタ４の上流に異常があるものと判定して異常処理を実行する。例えば、コントローラ３０は、エゼクタ４より上流の水素供給流路２又は水素タンク５等に漏れなどの異常があるものとして、その後の処理を停止したり、異常の判定結果をメモリに記憶したりする。

また、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１１５、ステップ１２０及びステップ１３０の処理を実行した後、ステップ１７０で、水素供給圧力Ｐ１が上昇し始めてからの経過時間Ｔが所定時間Ｔ０よりも短いか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、処理をステップ１７１へ移行する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０は、処理をステップ１１０へ戻す。

ステップ１７１で、コントローラ３０は、エゼクタ４に異常があるものと判定してエゼクタ４の異常処理を実行する。例えば、コントローラ３０は、エゼクタ４の異常判定結果をメモリに記憶する。

次に、ステップ１７２で、コントローラ３０は、流量制御弁７を第３の開度Ｅ（Ｅ＞Ｂ）に開弁する。

次に、ステップ１７３で、コントローラ３０は、燃料電池１のセル電圧Ｖが所定値Ｖ０よりも高い否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、処理をステップ１７４へ移行する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０は、その後の処理を終了する。

ステップ１７４では、コントローラ３０は、排気排水弁１１を所定時間Ｔ１だけ開弁する。その後、ステップ１７５で、コントローラ３０は、排気排水弁１１を所定時間Ｔ２だけ閉弁する。その後、コントローラ３０は、処理をステップ１７３へ戻す。

ここで、図８に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。燃料電池１の停止状態から、時刻ｔ１にて、図８（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すようにエゼクタ上流水素圧力Ｐ０がゼロから立ち上がる。すると、図８（ｅ）に示すように水素ポンプ１４が駆動を開始して回転速度がゼロから所定値Ｎへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｇ）に示すように流量制御弁７の開度信号がゼロから第１の開度Ｂへ立ち上がる。これに伴い、図８（ｈ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｉ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、時刻ｔ２を過ぎ、水素供給圧力Ｐ１が増加し始めてからの経過時間Ｔが所定時間Ｔ０を過ぎても水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａを超えない場合、時刻ｔ３にて、図８（ｇ）に示すように流量制御弁７の開度信号が第１の開度Ｂから第３の開度Ｅへ立ち上がる。これに伴い、図８（ｈ）に示すように水素供給流量が一段階増加し、同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が急激に増加し始める。

その後、図８（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂを越えない状態で、時刻ｔ４にて、同図（ｊ）に示すようにＦＣセル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下になると、同図（ｋ）に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間で、排気排水弁１１が所定時間Ｔ１だけ開弁され、その後、時刻ｔ５から時刻ｔ６の間で、排気排水弁１１が所定時間Ｔ２だけ閉弁される。排気排水弁１１が開弁される間は、第１水素循環流路３の内圧が変化することから、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間では、図８（ｉ）に示すように水素循環流量が一時的に減少し、これに伴い同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１も一時的に減少する。

上記制御によれば、コントローラ３０は、エゼクタ上流水素圧力Ｐ０に基づいてエゼクタ４の上流の異常を判定するようになっている。また、コントローラ３０は、エゼクタ４の可変ノズル４ａを開弁しても水素供給圧力Ｐ０が狙い通りに上昇しない場合は、エゼクタ４の異常と判定し、バイパス流路６の流量制御弁７を更に開いて燃料電池１への水素供給流量を確保するようになっている。それでも燃料電池１の発電が不安定と判断したときは、コントローラ３０は、排気排水弁１１を開いて燃料電池１からの排水を促すようになっている。

以上説明したようにこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第２実施形態の作用効果に加えて次のような作用効果を得ることができる。すなわち、燃料電池１の電圧が不安定となったときに排気排水弁１１が制御されて燃料電池１から生成水が排出流路１０へ排出されるので、燃料電池１の電圧の不安定要因が解消される。このため、燃料電池１の出力電圧を速やかに安定化させることができる。

また、この実施形態では、エゼクタ４やエゼクタ４より上流の水素供給流路２に関する異常を判定し、その異常をコントローラ３０のメモリに記憶するので、燃料電池システムのメンテナンスに寄与することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第４実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、燃料電池システムのアノード側の構成と制御プログラムの処理内容の点で前記各実施形態と異なる。図９に、この実施形態の燃料電池システムを概略構成図により示す。この実施形態では、図１に示すシステムにおける第２水素循環流路１３、水素ポンプ１４及び逆止弁１５が省略される。また、この実施形態では、図１に示すシステムにおける流量制御弁７に代わってバイパス流路６にバイパスインジェクタ４１が設けられ、エゼクタ４より上流の水素供給流路２には２つの上流側インジェクタ４２，４３が並列に設けられる。各インジェクタ４１〜４３は、電磁弁を備えて構成され、水素ガスを噴射するようになっている。この実施形態で、バイパスインジェクタ４１は、本発明のバイパス流量調節手段に相当すると共に、本発明の第１燃料噴射弁に相当する。この実施形態で、２つの上流側インジェクタ４２，４３は、本発明の第２燃料噴射弁に相当する。

図１０に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図１０に示すフローチャートは、ステップ２００〜ステップ２３０の処理内容の点で図１のフローチャートのステップ１３０及びステップ１６０と異なる。

すなわち、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１２０で、エゼクタ４の可変ノズル４ａを第１の開度Ａに開弁した後、ステップ２００及びステップ２１０の処理を実行する。すなわち、ステップ２００では、コントローラ３０は、バイパスインジェクタ４１を第１の開弁時間Ｔｃだけ開弁する。続いて、ステップ２１０で、コントローラ３０は、２つの上流側インジェクタ４２，４３を第２の開弁時間Ｔｂだけ開弁する。その後、コントローラ３０は処理をステップ１１０へ戻す。

ここで、コントローラ３０は、各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御（開閉を周期的に繰り返す制御）によって開弁するようになっている。また、コントローラ３０は、バイパスインジェクタ４１と上流側インジェクタ４２，４３との間で開弁時期が互いに逆位相となるように、すなわち、バイパスインジェクタ４１からの水素ガスの噴射と上流側インジェクタ４２，４３からの水素ガスの噴射とが互いに逆位相となるように各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御するようになっている。また、この実施形態では、各インジェクタ４１〜４３の開弁時間と周期が、エゼクタ４の可変ノズル４ａの開度に応じて設定されるようになっている。

一方、ステップ１４０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１５０で、エゼクタ４の可変ノズル４ａを第２の開度Ｃに開弁した後、ステップ２２０及びステップ２３０の処理を実行する。すなわち、ステップ２２０では、コントローラ３０は、バイパスインジェクタ４１を第３の開弁時間Ｔａだけ開弁する。続いて、ステップ２３０で、コントローラ３０は、２つの上流側インジェクタ４２，４３を第４の開弁時間Ｔｄだけ開弁する。その後、コントローラ３０は処理をステップ１４０へ戻す。

ここでも、コントローラ３０は、各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御によって開弁し、バイパスインジェクタ４１と上流側インジェクタ４２，４３との間で、開弁時期が互いに逆位相となるように各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御するようになっている。

図１１に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。時刻ｔ１以前の定常運転時では、図１１（ａ）〜（ｈ）に示すように、アクセル開度ＡＣＣ及び燃料電池１の要求出力がそれぞれある一定値で推移することにより、可変ノズル４ａがある一定の開度で推移し、バイパスインジェクタ４１と上流側インジェクタ４２，４３がそれぞれある開弁時間により互いに逆位相でデューティ制御され、水素供給圧力Ｐ１がある一定値で推移し、水素供給流量及び水素循環重量がそれぞれある一定値で推移する。このとき、図１１（ｄ）に示すように、可変ノズル４ａは、第１の開度Ａよりも大きく第２の開度Ｃよりも小さい開度で開弁され、バイパスインジェクタ４１は、第３の開弁時間Ｔａよりも短い開弁時間で開弁され、上流側インジェクタ４２，４３は、第２の開弁時間Ｔｂよりも長く第４の開弁時間Ｔｄよりも短い開弁時間により開弁される。

その後、停止状態から急加速へ移行すると、時刻ｔ２にて、図１１（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がる。すると、図１１（ｄ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｅ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間がゼロから第１の開弁時間Ｔｃへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間がゼロから第２の開弁時間Ｔｂへ立ち上がる。これに伴い、図１１（ｇ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｈ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、時刻ｔ３にて、図１１（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａに達すると、同図（ｄ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａから増加し始め、同図（ｅ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間が第１の開弁時間Ｔｃから減少し始め、同図（ｆ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間が第２の開弁時間Ｔｂから増加し始める。これに伴い、図１１（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が、第１の所定値Ｐａから緩やかに増加し始め、同図（ｈ）に示すように水素循環流量が変わらずに増加を続ける。

そして、時刻ｔ４にて、図１１（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂに達すると、同図（ｄ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａよりも大きい第２の開度Ｃで上げ止まり、同図（ｅ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間が第３の開弁時間Ｔａで下げ止まり、同図（ｆ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間が第４の開弁時間Ｔｄで上げ止まる。このように、燃料電池１に出力要求があったとき、図１１（ｇ）,（ｈ）に示すように、燃料電池１に対する水素供給流量と水素循環流量を応答性良く確保することができる。

上記制御によれば、コントローラ３０は、バイパスインジェクタ４１による水素ガスの噴射と上流側インジェクタ４２，４３による水素ガスの噴射とが互いに逆位相となるように各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御するようになっている。

以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第１実施形態の作用効果に加えて次のような作用効果を得ることができる。すなわち、バイパス流路６にバイパスインジェクタ４１が設けられるので、バイパスインジェクタ４１により水素ガスを噴射することでバイパス流路６における水素ガスの流量と圧力が調節可能となる。このため、燃料電池１に対する水素供給圧力を急激に高める必要がある場合に、このバイパスインジェクタ４１により対応することができる。

また、この実施形態では、エゼクタ４の上流に上流側インジェクタ４２，４３が設けられるので、上流側インジェクタ４２，４３により水素ガスを噴射することでエゼクタ４に供給される水素ガスの流量と圧力が調節可能となる。このため、エゼクタ４による水素オフガスの循環流量を増やす必要がある場合に、これら上流側インジェクタ４２，４３により対応することができる。

更に、この実施形態では、バイパスインジェクタ４１による水素噴射と上流側インジェクタ４２，４３による水素噴射とが互いに逆位相となるように各インジェクタ４１〜４３が制御されるので、バイパス流路６における水素ガスの圧力脈動とエゼクタ４における水素ガスの圧力脈動とが、エゼクタ４より下流の水素供給流路２において互いに相殺し合うことになる。このため、水素ガスを圧力脈動を伴うことなく燃料電池１へ安定的に供給することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第５実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、制御プログラムの処理内容の点で第４実施形態と異なる。図１２に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図１２に示すフローチャートは、ステップ１０５、ステップ１０６、ステップ１７０、ステップ１７１、ステップ１７３〜ステップ１７５、ステップ２４０及びステップ２５０の処理内容を加えた点で図１０のフローチャートと異なる。ここで、ステップ１０５、ステップ１０６、ステップ１７０、ステップ１７１及びステップ１７３〜ステップ１７５の処理内容は、図７のフローチャートのそれと同じであることから説明を省略する。

図１２に示すように、この実施形態では、ステップ１７０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１７１で、エゼクタ４の異常処理を実行した後、ステップ２４０及びステップ２５０の処理を実行する。

すなわち、ステップ２４０で、コントローラ３０は、バイパスインジェクタ４１を第５の開弁時間Ｔｅだけ開弁する。続いて、ステップ２５０で、コントローラ３０は、上流側インジェクタ４２，４３を第４の開弁時間Ｔｄだけ開弁する。その後、コントローラ３０は処理をステップ１７３へ移行する。

ここで、コントローラ３０は、各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御によって開弁し、バイパスインジェクタ４１と上流側インジェクタ４２，４３との間で、開弁時期が互いに逆位相となるように各インジェクタ４１〜４３をデューティ制御するようになっている。

図１３に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。時刻ｔ２以前の各種パラメータの挙動は、図１１のタイムチャートのそれとほぼ同じである。その後、停止状態から急加速へ移行すると、時刻ｔ２にて、図１３（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すようにエゼクタ上流水素圧力Ｐ０がゼロから立ち上がる。すると、図１３（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間がゼロから第１の開弁時間Ｔｃへ立ち上がり、同図（ｇ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間がゼロから第２の開弁時間Ｔｂへ立ち上がる。これに伴い、図１３（ｈ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｉ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、水素供給圧力Ｐ１が増加し始めてからの経過時間Ｔが所定時間Ｔ０を過ぎても水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａを超えない場合、時刻ｔ３にて、図１３（ｆ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間が第１の開弁時間Ｔｃから第５の開弁時間Ｔｅへ立ち上がり、上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間がゼロとなる。これに伴い、図１３（ｈ）に示すように水素供給流量が一段階増加し、同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が急激に増加し始め、同図（ｉ）に示すように水素循環流量がゼロとなる。

その後、図１３（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂを越えない状態で、時刻ｔ４にて、同図（ｊ）に示すようにＦＣセル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下になると、同図（ｋ）に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間で、排気排水弁１１が所定時間Ｔ１だけ開弁され、その後、時刻ｔ５から時刻ｔ６の間で、排気排水弁１１が所定時間Ｔ２だけ閉弁される。排気排水弁１１が開弁される間は、第１水素循環流路３の内圧が変化することから、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間では、図１３（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が一時的に減少する。

上記制御によれば、コントローラ３０は、前記第４実施形態と異なり、エゼクタ上流水素圧力Ｐ０に基づいてエゼクタ４の上流の異常を判定するようになっている。また、コントローラ３０は、エゼクタ４の可変ノズル４ａを開弁しても水素供給圧力Ｐ０が狙い通りに上昇しない場合は、エゼクタ４の異常と判定し、バイパス流路６の流量制御弁７を更に開いて燃料電池１への水素供給流量を確保するようになっている。それでも燃料電池１の発電が不安定になると判断したときは、コントローラ３０は、排気排水弁１１を開いて燃料電池１からの排水を促すようになっている。

以上説明したようにこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第４実施形態の作用効果に加えて次のような作用効果を得ることができる。すなわち、燃料電池１の電圧が不安定となったときに排気排水弁１１が制御されて燃料電池１から生成水が排出流路１０へ排出されるので、燃料電池１の電圧の不安定要因が解消される。このため、燃料電池１の出力電圧を速やかに安定化させることができる。

また、この実施形態では、エゼクタ４の異常やエゼクタ４より上流の水素供給流路２に関する異常（上流側インジェクタ４２，４３の異常を含む。）を判定し、その異常をコントローラ３０のメモリに記憶するので、燃料電池システムのメンテナンスに寄与することができる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第６実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、燃料電池システムのアノード側の構成と制御プログラムの処理内容の点で前記各実施形態と異なる。図１４に、この実施形態の燃料電池システムを概略構成図により示す。この実施形態の燃料電池システムは、図９に示すシステムに対し、図１に示すシステムにおける第２水素循環流路１３、水素ポンプ１４及び逆止弁１５が加えられることで構成される。

図１５に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図１５に示すフローチャートは、ステップ１１５及びステップ１３５の処理内容の点で図１０のフローチャートと異なる。

すなわち、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１２０、ステップ２００及びステップ２１０の処理を実行する前に、ステップ１１５で、水素ポンプ１４を駆動する。

一方、ステップ１１０の判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１４０、ステップ１５０、ステップ２２０及びステップ２３０の処理を実行する前に、ステップ１３５で、水素ポンプ１４を停止する。

ここで、図１６に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。このタイムチャートでは、図１１のタイムチャートに対し、パラメータとして水素ポンプ１４の回転速度が加わった点で異なる。すなわち、停止状態から急加速へ移行すると、時刻ｔ２にて、図１６（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がる。すると、図１６（ｄ）に示すように、水素ポンプ１４の回転速度がゼロから所定値Ｎへ立ち上がり、図１６（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間がゼロから第１の開弁時間Ｔｃへ立ち上がり、同図（ｇ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間がゼロから第２の開弁時間Ｔｂへ立ち上がる。これに伴い、図１６（ｈ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｉ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、時刻ｔ３にて、図１６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａに達すると、同図（ｄ）に示すように水素ポンプ１４が停止し回転速度がゼロへ向けて下がり、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａから増加し始め、同図（ｆ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間が第１の開弁時間Ｔｃから減少し始め、同図（ｇ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間が第２の開弁時間Ｔｂから増加し始める。これに伴い、図１６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が、第１の所定値Ｐａから緩やかに増加し始め、同図（ｉ）に示すように水素循環流量が変わらずに増加を続ける。

そして、時刻ｔ４にて、図１６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂに達すると、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａよりも大きい第２の開度Ｃで上げ止まり、同図（ｆ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間が第３の開弁時間Ｔａで下げ止まり、同図（ｇ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間が第４の開弁時間Ｔｄで上げ止まる。このように、燃料電池１に出力要求があったとき、図１１（ｈ）,（ｉ）に示すように、燃料電池１に対する水素供給流量と水素循環流量を応答性良く確保することができる。

以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第４実施形態の作用効果に加えて次のような作用効果を得ることができる。すなわち、水素ポンプ１４を制御することにより、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環と、第２水素循環流路１３を介しての水素オフガスの循環とを適宜制御することができる。例えば、低流量の水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる必要がある場合には、水素ポンプ１４を駆動させて第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介して水素オフガス循環させることができる。また、中・高流量の水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる必要がある場合には、水素ポンプ１４を停止させて第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介して水素オフガスを循環させることができる。このため、電気自動車の運転状態に応じて水素ポンプ１４の駆動及び停止を制御することにより、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環と、第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介しての水素オフガスの循環とを使い分けることができる。

＜第７実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第７実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、制御プログラムの処理内容の点で前記第５実施形態と異なる。図１７に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図１７に示すフローチャートは、ステップ１１５及びステップ１３５の処理内容の点で図１２のフローチャートと異なる。

すなわち、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１２０以降の各処理を実行する前に、ステップ１１５で、水素ポンプ１４を駆動する。

一方、ステップ１１０の判断結果が肯定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１４０以降の各処理を実行する前に、ステップ１３５で、水素ポンプ１４を停止する。

ここで、図１８に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。このタイムチャートでは、図１３のタイムチャートに対し、パラメータとして水素ポンプ１４の回転速度が加わった点で異なる。すなわち、停止状態から急加速へ移行すると、時刻ｔ２にて、図１８（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すようにエゼクタ上流水素圧力Ｐ０がゼロから立ち上がる。すると、図１８（ｅ）に示すように、水素ポンプ１４の回転速度がゼロから所定値Ｎへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｇ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間がゼロから第１の開弁時間Ｔｃへ立ち上がり、同図（ｈ）に示すように上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間がゼロから第２の開弁時間Ｔｂへ立ち上がる。これに伴い、図１８（ｉ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｊ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、水素供給圧力Ｐ１が増加し始めてからの経過時間Ｔが所定時間Ｔ０を過ぎても水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａを超えない場合、時刻ｔ３にて、図１８（ｇ）に示すようにバイパスインジェクタ４１の開弁時間が第１の開弁時間Ｔｃから第５の開弁時間Ｔｅへ立ち上がり、上流側インジェクタ４２，４３の開弁時間がゼロになる。これに伴い、図１８（ｉ）に示すように水素供給流量が一段階増加し、同図（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が急激に増加し始める。

その後、図１８（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂを越えない状態で、時刻ｔ４にて、同図（ｋ）に示すようにＦＣセル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下になると、同図（ｌ）に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間で、排気排水弁１１が所定時間Ｔ１だけ開弁され、その後、時刻ｔ５から時刻ｔ６の間で、排気排水弁１１が所定時間Ｔ２だけ閉弁される。排気排水弁１１が開弁される間は、第１水素循環流路３の内圧が変化することから、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間では、図１８（ｄ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が一時的に減少する。

以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第５実施形態の作用効果に加えて次のような作用効果を得ることができる。すなわち、水素ポンプ１４を制御することにより、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環と、第２水素循環流路１３を介しての水素オフガスの循環とを適宜制御することができる。例えば、低流量の水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる必要がある場合には、水素ポンプ１４を駆動させて第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介して水素オフガス循環させることができる。また、中・高流量の水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる必要がある場合には、水素ポンプ１４を停止させて第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介して水素オフガスを循環させることができる。このため、電気自動車の運転状態に応じて水素ポンプ１４の駆動及び停止を制御することにより、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環と、第２水素循環流路１３及び水素ポンプ１４を介しての水素オフガスの循環とを使い分けることができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記第１実施形態では、図１に示す燃料電池システムについて図２に示す制御プログラムを実行した。これに対し、図１９に示す燃料電池システムについて図２に示す制御プログラムを実行することもできる。図１９に示すシステムでは、図１に示すシステムにおける第２水素循環流路１３、水素ポンプ１４及び逆止弁１５が省略されている。この場合も、第１実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

この発明は、電気自動車等の電源として利用することができる。

１燃料電池
２水素供給流路（燃料供給流路）
３第１水素循環流路（第１燃料循環流路）
４エゼクタ
４ａ可変ノズル（エゼクタ流速調節手段）
６バイパス流路
７流量制御弁（バイパス流量調節手段）
１０排出流路（排水手段）
１１排気排水弁（排水手段）
１２第１水素圧力センサ（燃料圧力検出手段）
１３第２水素循環流路（第２燃料循環流路）
１４水素ポンプ（燃料ポンプ）
３０コントローラ（制御手段）
３１アクセルセンサ（出力指令手段）
３２アクセルペダル（出力指令手段）
４１バイパスインジェクタ（バイパス流量調節手段、第１燃料噴射弁）
４２上流側インジェクタ（第２燃料噴射弁）

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路へ循環させるための第１燃料循環流路と、
前記燃料供給流路と前記第１燃料循環流路との間に設けられたエゼクタと、
前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速を調節するためのエゼクタ流速調節手段と、
前記エゼクタを迂回するように前記燃料供給流路に設けられたバイパス流路と、
前記バイパス流路における前記燃料ガスの流量を調節するためのバイパス流量調節手段と、
前記燃料電池の出力を指令するための出力指令手段と、
少なくとも前記エゼクタ流速調節手段及び前記バイパス流量調節手段を制御する制御手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記出力指令手段により前記燃料電池の出力増が指令されたときに、前記バイパス流路に前記燃料ガスが流れるように前記バイパス流量調節手段を制御すると共に、前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速が速くなるように前記エゼクタ流速調節手段を制御し、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出するための燃料圧力検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記出力指令手段により前記燃料電池の出力増が指令されてから前記燃料圧力検出手段により検出される燃料ガスの圧力が所定値以上となったときに、前記バイパス流路における単位時間当たりの燃料ガスの流量が減少するように前記バイパス流量調節手段を制御すると共に、前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速が遅くなるように前記エゼクタ流速調節手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路へ循環させるための第１燃料循環流路と、
前記燃料供給流路と前記第１燃料循環流路との間に設けられたエゼクタと、
前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速を調節するためのエゼクタ流速調節手段と、
前記エゼクタを迂回するように前記燃料供給流路に設けられたバイパス流路と、
前記バイパス流路における前記燃料ガスの流量を調節するためのバイパス流量調節手段と、
前記燃料電池の出力を指令するための出力指令手段と、
少なくとも前記エゼクタ流速調節手段及び前記バイパス流量調節手段を制御する制御手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記出力指令手段により前記燃料電池の出力増が指令されたときに、前記バイパス流路に前記燃料ガスが流れるように前記バイパス流量調節手段を制御すると共に、前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速が速くなるように前記エゼクタ流速調節手段を制御し、
前記バイパス流量調節手段は、前記燃料ガスを噴射するための第１燃料噴射弁であり、
前記エゼクタより上流の前記燃料供給流路に設けられて前記燃料ガスを噴射するための第２燃料噴射弁を更に備え、
前記制御手段は、前記第１燃料噴射弁による前記燃料ガスの噴射と前記第２燃料噴射弁による前記燃料ガスの噴射とが互いに逆位相となるように前記第１燃料噴射弁と前記第２燃料噴射弁を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。