燃料電池システム
【課題】水分を好適にパージ可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１０と、セル電圧モニタ１１５と、水素タンク１２１と、水素供給流路と、エゼクタ１と、水素オフガス流路と、パージ弁１２５と、コンプレッサ１３１と、空気供給流路と、空気の圧力を制御する圧力制御手段と、空気供給流路から分岐し、空気の圧力をエゼクタ１にパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、パージ弁１２５及び圧力制御手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システム１００であって、エゼクタ１は、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなるとノズル１１の噴射口１２が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、制御手段は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定した場合、圧力制御手段によって空気の圧力及びパイロット圧を高めた後、パージ弁１２５を開く。
【解決手段】燃料電池スタック１１０と、セル電圧モニタ１１５と、水素タンク１２１と、水素供給流路と、エゼクタ１と、水素オフガス流路と、パージ弁１２５と、コンプレッサ１３１と、空気供給流路と、空気の圧力を制御する圧力制御手段と、空気供給流路から分岐し、空気の圧力をエゼクタ１にパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、パージ弁１２５及び圧力制御手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システム１００であって、エゼクタ１は、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなるとノズル１１の噴射口１２が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、制御手段は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定した場合、圧力制御手段によって空気の圧力及びパイロット圧を高めた後、パージ弁１２５を開く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。
【０００３】
このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気（生成水）が生成し、この生成水の一部は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を透過し、アノード流路（燃料ガス流路）にクロスリークする。そして、クロスリークした水分の一部は、アノード流路に滞留し、ＭＥＡの表面等に付着する。このように水分が付着すると、この付着した水分に邪魔されて、水素がアノード（アノードを形成する触媒）に供給されにくくなり、燃料電池の電圧（出力）が目標電圧以下に低下し、燃料電池の発電状態が不調となる場合がある。
【０００４】
そこで、このように燃料電池の発電状態が不調となった場合、アノード流路におけるガスの圧力を一時的に高めると共に、アノード流路の下流に設けられたパージ弁（排出弁）を一時的に開き、アノード流路に滞留するガス及び水分を、外部にパージ（排出）する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１２５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、ソレノイドで駆動するエゼクタによって、アノード流路におけるガスの圧力（アノード圧）を制御しているので、ソレノイド等の電磁駆動装置を備える必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、システム構成を簡易にしつつ、水分を好適にパージ可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記燃料ガス流路の入口とを接続する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタと、前記燃料ガス流路の出口と前記エゼクタとを接続する燃料オフガス流路と、前記燃料オフガス流路に接続され、開くことで、前記燃料オフガス流路のガスを外部に排出する排出弁と、酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段と前記酸化剤ガス流路の入口とを接続する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、酸化剤ガスの圧力を前記エゼクタにパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、前記排出弁及び前記圧力制御手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記エゼクタは、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルと、前記ノズルの軸線上に配置されたニードルと、前記ノズルから噴射された燃料ガスと前記燃料オフガス流路からの燃料オフガスとを混合するディフューザと、を備え、前記パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると前記ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、前記制御手段は、前記発電状態検出手段の検出する前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力及びパイロット圧を高めた後、前記排出弁を開くことを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
このような燃料電池システムによれば、圧制御機構を備えるエゼクタによって、エゼクタの二次側圧力、つまり、下流の燃料ガス流路におけるガスの圧力は制御される。
すなわち、エゼクタの圧力制御機構によって、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると、ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる。一方、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が低くなると、ノズルの噴射口が小さくなり、二次側圧力が低くなる。
【００１０】
そして、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高めるので、パイロット圧入力流路を介してエゼクタに入力されるパイロット圧が高くなる。そうすると、エゼクタを構成するノズルの噴射口が大きくなり、ノズルから噴射される燃料ガスの流量が増加し、エゼクタの二次側圧力、つまり、燃料ガス流路におけるガスの圧力が高くなる。
【００１１】
このように燃料ガス流路におけるガスの圧力が高くなっている状態において、制御手段が排出弁を開くので、燃料ガス流路に滞留するガスと共に、燃料ガス流路に滞留する水分（水蒸気）、燃料電池を構成するＭＥＡの表面や燃料ガス流路を囲む流路壁面に付着した水分（結露水）が、開かれた排出弁を介して速やかに外部に排出される。そうすると、水分に邪魔されることなく、燃料ガスがＭＥＡのアノードに良好に供給され、アノードにおける電極反応が良好に進行し、燃料電池の発電状態は速やかに回復する。
【００１２】
このように、燃料電池システムによれば、ソレノイド等の電磁駆動装置を備えず、パイロット圧によって駆動する空圧駆動型のエゼクタを備えるので、システム構成が簡易となる。また、燃料ガスの圧力制御に際して、前記電磁駆動装置によって電力消費することもない。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、前記制御手段は、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、前記酸化剤ガス流路に滞留する水分が排出されるように、前記流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させることを特徴とする。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、制御手段は、圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させる。そうすると、酸化剤ガス流路に滞留する水分（水蒸気、結露水等）が外部に排出される。これにより、水分に邪魔されることなく、酸化剤ガスがＭＥＡのカソードに良好に供給され、カソードにおける電極反応が良好に進行し、燃料電池の発電状態は速やかに回復する。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力センサの検出する圧力が、発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達した後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、圧力センサの検出する圧力が、通常圧力よりも高い第１圧力に到達した後、排出弁を開くので、燃料ガス流路に滞留する水分を確実に排出できる。すなわち、圧力センサによって、エゼクタの下流における燃料ガス流路のガスの圧力が、通常圧力よりも高い第１圧力に到達したか否か確認できる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力が発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する第１時間の経過後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、エゼクタの下流におけるガスの圧力が通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する第１時間の経過後、排出弁を開くので、燃料ガス流路の水分を確実に排出できる。
なお、第１時間は、事前試験やシミュレーションによって、エゼクタの下流（燃料ガス流路）におけるガスの圧力が通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する時間に設定される。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、システム温度又はシステムの周囲温度を検出する温度センサを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００２０】
ここで、システム温度又はシステムの周囲温度が低くなると、燃料ガス流路に滞留する水蒸気は、その後に結露しやすくなる。
そこで、このような燃料電池システムによれば、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、エゼクタの下流（燃料ガス流路）におけるガスの圧力を、第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、排出弁を開くので、より多量の水分を排出できる。
【００２１】
このようにして、第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、排出弁を開き、より多量の水分を排出するので、その後に燃料ガス流路で結露しにくくなる。
なお、所定温度は、事前試験等によって、その後に水蒸気が結露し、燃料電池の発電状態が不調となると判断される温度に設定される。
【００２２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電開始から発電停止までの発電継続時間が、所定時間以下であるか否か判定する発電継続時間判定手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定し、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、前記発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００２３】
ここで、燃料電池の発電継続時間が短くなると、燃料電池を通流した燃料ガス及び酸化剤ガスの総流量も少なくなり、発電に伴って生成した水分が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路にそのまま滞留し、現在滞留している水分の量が多くなる。特に、現在のシステム温度又はシステムの周囲温度が前記した所定温度以下であると、その後に滞留する多量の水分が結露し、燃料電池が不調となりやすい。
【００２４】
そこで、このような燃料電池システムによれば、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定し、温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、エゼクタの下流（燃料ガス流路）におけるガスの圧力を、前記した第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、排出弁を開くので、より多量の水分を排出できる。
【００２５】
このようにして、第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、排出弁を開き、より多量の水分を排出するので、その後に燃料ガス流路で結露しにくくなる。
なお、所定時間は、事前試験等によって、燃料電池を通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの総流量が少なく、燃料電池内に多量の水分が滞留していると判断される時間に設定される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、システム構成を簡易にしつつ、水分を好適にパージ可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る空圧駆動型のエゼクタの側断面図であり、パイロット圧が低く、ノズルが後退し、噴射口が小さく、アノード圧（二次側圧力）が低い状態を示す。
【図３】本実施形態に係る空圧駆動型のエゼクタの側断面図であり、パイロット圧が高く、ノズルが前進し、噴射口が大きく、アノード圧（二次側圧力）が高い状態を示す。
【図４】発電要求量と、目標アノード圧、目標カソード圧との関係を示すマップである。
【図５】発電要求量と、背圧弁の目標開度との関係を示すマップである。
【図６】発電要求量と、コンプレッサの目標回転速度との関係を示すマップである。
【図７】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
【００２９】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、セル電圧モニタ１１５と、燃料電池スタック１１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１１０の掃気時に掃気ガスをカソード系からアノード系に導く掃気ガス導入系と、これらを電子制御するＥＣＵ１６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３０】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１１は直列で接続されている。単セル１１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００３１】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セル１１１に水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１２（燃料ガス流路）、カソード流路１１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３２】
そして、アノード流路１１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１１０とモータ等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
【００３３】
＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１１５（発電状態検出手段）は、燃料電池スタック１１０を構成する複数の単セル１１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１１をスキャニングし、各単セル１１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１１５）は、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
【００３４】
ここで、平均セル電圧や最低セル電圧は、燃料電池スタック１１０の発電状態に依存するパラメータであるから、セル電圧モニタ１１５は、燃料電池スタック１１０の発電状態を検出する発電状態検出機能を備えている。
因みに、アノード流路１１２、カソード流路１１３に滞留する水分（水蒸気、結露水）が多くなり、ＭＥＡの表面に結露水が付着すると、アノードに水素が、カソードに空気が供給されにくくなる。そして、このように、水素、空気が供給されにくくなると、平均セル電圧や最低セル電圧が低下し、燃料電池スタック１１０の発電状態は不調に近づく。
【００３５】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク１２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁１２２と、エゼクタ１と、気液分離器１２４と、常閉型のパージ弁１２５（排出弁）と、常閉型の掃気ガス排出弁１２６（排出弁）と、常閉型のドレン弁１２７（排出弁）と、圧力センサ１２８と、温度センサ１２９とを備えている。
【００３６】
＜アノード系−上流側＞
水素タンク１２１は、配管１２１ａ、遮断弁１２２、配管１２２ａ、エゼクタ１、配管１２２ｂを介して、アノード流路１１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ１６０からの指令によって遮断弁１２２が開かれると、水素が、水素タンク１２１から遮断弁１２２等を通って、アノード流路１１２に供給されるようになっている。
【００３７】
すなわち、水素タンク１２１と、アノード流路１１２との入口とを接続する水素供給流路（燃料ガス供給流路）は、配管１２１ａと、配管１２２ａと、配管１２２ｂとを備えて構成されている。そして、エゼクタ１は、前記水素供給流路に設けられている。
【００３８】
＜エゼクタ＞
ここで、図２、図３を参照して、エゼクタ１の具体的構造を説明する。
エゼクタ１は、水素タンク１２１からの水素をノズル１１で噴射することで発生する負圧によって、アノードオフガスを吸引し、これらをディフューザ４１で混合した後、アノード流路１１２に供給する機能を備えている。
【００３９】
また、エゼクタ１は、カソード系から入力されるパイロット圧に基づいて、固定状態のニードル２１に対してノズル１１が軸方向において変位することで、ノズル１１の噴射口１２の面積が可変し、これにより、ノズル１１の下流の圧力（二次側圧力）、つまり、アノード流路１１２におけるガスの圧力（アノード圧）を制御する機能を備えている。
すなわち、エゼクタ１は、ソレノイド（電磁駆動装置）によって駆動するものではなく、入力されるパイロット圧に基づいて、ノズル１１が機械的に変位することで、二次側圧力を制御する空圧駆動型のものである。
【００４０】
このようなエゼクタ１は、例えば、ノズル１１と、ニードル２１と、第１ボディ３１及び第２ボディ３２と、ディフューザ４１と、第１ダイアフラム５１及び第２ダイアフラム５２と、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２と、を備えている。
そして、エゼクタ１内は、第１ダイアフラム５１及び第２ダイアフラム５２によって、水素タンク１２１からの水素が流入する第１ボディ３１内の第１室Ａ１と、ノズル１１で噴射された水素及びアノードオフガスを混合するディフューザ４１内の第２室Ａ２（混合室）と、カソード系からの空気が流入する第３室Ａ３（パイロット室）と、に仕切られている。
【００４１】
ニードル２１は、リング状のブラケット２２を介して、第１ボディ３１及び第２ボディ３２に固定されており、固定状態となっている。なお、ブラケット２２には、軸方向において複数の連通孔（図示しない）が形成されており、図２、図３におけるブラケット２２の左右の空間は、前記連通孔を介して連通しており、いずれも第１室Ａ１である。
【００４２】
また、ニードル２１は、内部に通路２５を有する筒状の胴部２３と、胴部２３の一端側（前側）に形成された針状の先端部２４と、を有している。そして、先端部２４に対して、ノズル１１が変位することで、ノズル１１の噴射口１２が可変するようになっている。なお、胴部２３の外周面には、ノズル１１との径方向における相対位置を決めるための軸受２６が取り付けられている。
【００４３】
さらに説明すると、水素タンク１２１からの水素は、第１ボディ３１に形成された入口ポート３３、リング状の第１室Ａ１、胴部２３の周壁に周方向で９０°間隔に形成された連通孔２７を通って、通路２５に流入するようになっている。
次いで、水素は、通路２５をニードル２１の先端部２４に向かって通流した後、胴部２３の先端側に周方向で９０°間隔にスロット状（長孔状）で形成された連通孔２８を通って、一旦、ノズル１１内に流出した後、ノズル１１の噴射口１２から第２室Ａ２に噴射されるようになっている。なお、水素が、通路２５を通流することで、軸受２６を軸方向において横切るように設計されている。
【００４４】
そして、ノズル１１から第２室Ａ２に水素が噴射されると、第２室Ａ２で負圧が生成し、この負圧によって、ディフューザ４１に形成された吸気ポート４２を介してアノードオフガスを吸引されるようになっている。次いで、噴射された水素と、吸引されたアノードオフガスとは、ディフューザ４１で混合されながら、アノード流路１１２に向かうようになっている。
【００４５】
ノズル１１は、軸受２６の外側に摺動自在に設けられており、これにより、ノズル１１がニードル２１に対して変位自在となっている。
なお、ノズル１１が変位すると、ノズル１１の噴射口１２とニードル２１の先端部２４との距離が可変し、噴射口１２の面積が可変するように構成されている。すなわち、ノズル１１が前進し、噴射口１２と先端部２４との距離が長くなると、噴射口１２の面積が大きくなるように構成されている。一方、ノズル１１が後退し、噴射口１２と先端部２４との距離が短く、つまり、先端部２４が噴射口１２に挿通した状態に近づくと、噴射口１２の面積が小さくなるように構成されている。
【００４６】
ここで、噴射口１２の面積が大きくなると、ノズル１１から噴射される水素量が増加するから、エゼクタ１の下流、つまり、アノード圧（アノード流路１１２のガスの圧力）は高くなる。一方、噴射口１２の面積が小さくなると、ノズル１１から噴射される水素量が減少するから、アノード圧は低くなる。
【００４７】
また、ノズル１１は、ノズル１１に外嵌した第１リング部材１３とで、第１ダイアフラム５１の内周縁を挟んでいる。一方、第１ダイアフラム５１の外周縁は、第１ボディ３１とディフューザ４１とで挟まれており、第１ダイアフラム５１は、第１室Ａ１と第２室Ａ２とを仕切っている。
【００４８】
さらに、第１リング部材１３とディフューザ４１との間には、第１圧縮コイルばね６１が縮設されている。そして、第１圧縮コイルばね６１は、ノズル１１を後退させる向き（図２、図３において左向き）に付勢している。
【００４９】
また、ノズル１１は、ブラケット２２を貫通するボルト１４を介して、側断面視でハット状を呈する基部１５と連結されている。
なお、ボルト１４とブラケット２２との間には、円筒状のカラー１６が取り付けられている。カラー１６は、ブラケット２２に対して摺動自在であると共に、軸方向におけるノズル１１と基部１５との間隔を所定距離で保持している。すなわち、ノズル１１は、ボルト１４、カラー１６、基部１５、後記する第２リング部材１７及び第３リング部材１８と、一体に構成されている。
【００５０】
基部１５は、ニードル２１の後端部に外嵌し、かつ、摺動自在に設けられており、基部１５には第２リング部材１７及び第３リング部材１８が外嵌している。そして、第２リング部材１７及び第３リング部材１８は、第２ダイアフラム５２の内周縁を挟んでいる。一方、第２ダイアフラム５２の外周縁は、第１ボディ３１と第２ボディ３２とで挟まれており、第２ダイアフラム５２は、第１室Ａ１と第３室Ａ３とを仕切っている。
【００５１】
第３室Ａ３（パイロット室）は、第２ボディ３２内に形成された空間であり、カソード系からの空気が、第２ボディ３２に形成された入口ポート３４を通って、第３室Ａ３に流入するようになっている。
なお、入口ポート３４には、図１に示すように、カソード系の後記する配管１３１ａ（酸化剤ガス供給流路）から分岐し、カソード流路１１３における圧力（カソード圧）をパイロット圧としてエゼクタ１に入力する配管１２３ａ（パイロット圧入力流路）が接続されている。また、配管１２３ａにはエゼクタ１に向かう空気の流量を絞るためのオリフィス１２３ｂが設けられている。さらに、オリフィス１２３ｂの下流の配管１２３ａは、配管１２３ｃを介して、ＥＣＵ１６０によって開閉制御（ＰＷＭ制御）される常閉型のインジェクタ１２３に接続されている。すなわち、ＥＣＵ１６０によってインジェクタ１２３が開かれると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧が低下するようになっている。
【００５２】
図２、図３に戻って説明を続ける。
第３リング部材１８と第２ボディ３２との間には、第２圧縮コイルばね６２が縮設されている。そして、第２圧縮コイルばね６２は、ノズル１１を前進させる向き（図２、図３において右向き）に付勢している。
【００５３】
ここで、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２のばね力と、第３室Ａ３（パイロット室）における圧力（パイロット圧）と、ノズル１１のポジションとの関係を説明する。
システムが停止、つまり、コンプレッサ１３１が停止し、第３室Ａ３（エゼクタ１）に入力されるパイロット圧が低い場合、第１圧縮コイルばね６１のばね力によって、ノズル１１が後退し、ノズル１１の噴射口１２が小さくなるように構成されている（図２参照）。
【００５４】
これに対し、コンプレッサ１３１が作動し、第３室Ａ３に入力されるパイロット圧が高くなると、第３室Ａ３に流入した空気が基部１５及び第３リング部材１８を、図２の右向きに押圧し、これにより、基部１５等と一体であるノズル１１が前進し、噴射口１２が大きくなり、アノード圧（エゼクタ１の二次側圧力）が高くなるように構成されている（図３参照）。
【００５５】
なお、アノード圧とカソード圧との差圧（ΔＰ）が大きいと、ＭＥＡが変形する虞があるため、通常は、アノード圧とカソード圧とが略一致、または、アノード圧が若干高くなるように、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２のばね力は設定されている。
【００５６】
ここで、エゼクタ１において、配管１２３ａ（パイロット圧入力流路）から入力されるパイロット圧が高くなるとノズル１１の噴射口１２が大きくなり、二次側圧力を高くする圧力制御機構は、固定状態のニードル２１と、パイロット圧に基づいて変位するノズル１１と、エゼクタ１内を仕切る第１ダイアフラム５１及び第２ダイアフラム５２と、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２と、を備えて構成されている。
【００５７】
＜アノード系−下流側＞
図１に戻って説明を続ける。
アノード流路１１２の出口は、配管１２４ａ、気液分離器１２４、配管１２４ｂを介して、エゼクタ１の吸気ポート４２（図２参照）に接続されている。そして、アノード流路１１２から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管１２４ａ等を通って、エゼクタ１に戻された後、アノード流路１１２に再供給されるようになっている。
すなわち、アノード流路１１２の出口と、エゼクタ１の吸気ポート４２とを接続するアノードオフガス流路（水素オフガス流路、燃料オフガス流路）は、配管１２４ａと、配管１２４ｂとを備えて構成されており、水素を循環させる水素循環ラインとして機能している。
【００５８】
＜気液分離器＞
気液分離器１２４は、アノードオフガスに含まれる水分（結露水、水蒸気）を分離すると共に、分離した水分を一時的に、例えば底部（タンク部）に貯溜するものである。
気液分離器１２４における気液分離方式としては、例えば、（１）アノードオフガスの流路断面積を増大させることで、その流速を低下させると共に、水分をその自重によってその場に留まらせることで分離する方式や、（２）低温冷媒が通流する冷媒管によってアノードオフオフガスの水蒸気を結露させて分離する方式や、（３）アノードオフガスを蛇行又は旋回させ、水分に遠心力を作用させて分離する方式、等を採用できる。
【００５９】
＜パージ弁＞
配管１２４ｂは、配管１２５ａ、パージ弁１２５、配管１２５ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。
パージ弁１２５は、燃料電池スタック１１０の発電時や発電停止時において、アノード流路１１２から排出され、配管１２４ａ及び配管１２４ｂを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ１６０によって開かれる。
なお、ＥＣＵ１６０は、例えば、燃料電池スタック１１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁１２５を開く設定となっている。
【００６０】
また、パージ弁１２５は、アノード流路１１２の掃気時において、アノード流路１１２から配管１２４ａ、１２４ｂに排出された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器１３３（外部）に速やかに排出するため、掃気ガス排出弁１２６及びドレン弁１２７と共に開かれる設定となっている。
【００６１】
＜掃気ガス排出弁＞
また、配管１２５ａ（パージ弁１２５）の接続位置よりも上流の配管１２４ｂは、配管１２６ａ、掃気ガス排出弁１２６、配管１２６ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。
掃気ガス排出弁１２６は、アノード流路１１２の掃気時において、アノード流路１１２から排出された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器１３３（外部）に排出するため、パージ弁１２５等と共に開かれる設定となっている。
【００６２】
＜ドレン弁＞
気液分離器１２４の底部は、配管１２７ａ、ドレン弁１２７、配管１２７ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。ドレン弁１２７は、気液分離器１２４の底部に貯溜された水分、つまり、アノード流路１１２からアノードオフガス流路（配管１２４ａ等）に排出された水分を、希釈器１３３に排出する場合、ＥＣＵ１６０によって開かれる。
なお、気液分離器１２４における貯溜水量は、水位センサや、燃料電池スタック１１０の積算電流値に基づいて検出（算出）される。
【００６３】
また、ドレン弁１２７は、アノード流路１１２の掃気時において、アノード流路１１２から配管１２４ａ、１２４ｂに排出（導入）された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器１３３（外部）に速やかに排出するため、掃気ガス排出弁１２６等と共に開かれる設定となっている。
【００６４】
圧力センサ１２８は、配管１２２ｂに取り付けられており、その検出値を現在のアノード流路１１２内の圧力（アノード圧Ｐ１１）として、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
ただし、圧力センサ１２８の取付位置はこれに限定されず、例えば、アノード流路１１２や、配管１２４ａに取り付けられた構成でもよい。
【００６５】
温度センサ１２９は、配管１２４ａに取り付けられており、配管１２４ａ内の温度を、システム温度Ｔ１１として検出し、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
ただし、システム温度を検出する温度センサ１２９の取付位置はこれに限定されず、例えば、配管１３２ａや、燃料電池スタック１１０から排出された冷媒が通流する配管（図示しない）に取り付けられた構成でもよい。
【００６６】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ１３１（酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段）と、常開型の背圧弁１３２と、希釈器１３３とを備えている。
コンプレッサ１３１は、配管１３１ａ（酸化剤ガス（空気）供給流路）を介して、カソード流路１１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ１３１は、ＥＣＵ１６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管１３１ａを介して、カソード流路１１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ１３１は、燃料電池スタック１１０の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。
【００６７】
なお、配管１３１ａと配管１３２ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分透過性を有する中空糸膜を複数本内蔵し、この中空糸膜を介して、カソード流路１１３に向かう空気と、カソード流路１１３から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１１３に向かう空気を加湿するものである。
【００６８】
カソード流路１１３の出口は、配管１３２ａ、背圧弁１３２、配管１３２ｂを介して、希釈器１３３に接続されている。そして、カソード流路１１３（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管１３２ａ等を通って希釈器１３３に導かれるようになっている。
【００６９】
背圧弁１３２は、例えばバタフライ弁から構成され、その開度がＥＣＵ１６０によって制御されることで、カソード流路１１３における空気の圧力を制御するものである。
【００７０】
ここで、カソード流路１１３におけるガスの圧力（カソード圧）は、コンプレッサ１３１の回転速度（吐出圧）及び／又は背圧弁１３２の開度によって制御される。すなわち、コンプレッサ１３１の回転速度が高まり、その吐出圧が高くなると、カソード圧は高くなり、また、背圧弁１３２の開度が小さくなっても、カソード圧は高くなる。したがって、カソード流路１１３における空気の圧力（カソード圧）を制御する圧力制御手段は、コンプレッサ１３１と、背圧弁１３２とを備えて構成されている。
なお、カソード圧が制御されると、これに連動して、配管１２３ａを通ってエゼクタ１に入力されるパイロット圧も制御される。つまり、カソード圧が高くなるとパイロット圧も高くなり、カソード圧が低くなるとパイロット圧も低くなる。
【００７１】
また、カソード流路１１３を通流する空気の流量は、コンプレッサ１３１の回転速度（吐出量）及び／又は背圧弁１３２の開度によって制御される。すなわち、コンプレッサ１３１の回転速度が高くなると、空気の流量は増加し、また、背圧弁１３２の開度が大きくなっても空気の流量が増加する。したがって、カソード流路１１３を通流する空気の流量を制御する流量制御手段は、コンプレッサ１３１と、背圧弁１３２とを備えて構成されている。
【００７２】
希釈器１３３は、パージ弁１２５からのアノードオフガスと、配管１３２ｂからのカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管１３３ａを通って車外に排出されるようになっている。
【００７３】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、常閉型の掃気ガス導入弁１４１を備えている。掃気ガス導入弁１４１の上流は配管１４１ａを介して配管１３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁１４１の下流は配管１４１ｂを介して配管１２２ｂに接続されている。
そして、燃料電池スタック１１０（アノード流路１１２）の掃気時に、コンプレッサ１３１が作動した状態で、ＥＣＵ１６０によって掃気ガス導入弁１４１が開かれると、コンプレッサ１３１からの掃気ガスが、アノード流路１１２に導入されるようになっている。
【００７４】
＜その他機器＞
温度センサ１５１は、燃料電池システム１００の周囲温度である外気温度Ｔ１２を検出するセンサであり、燃料電池車の適所に取り付けられている。そして、温度センサ１５１は、検出した外気温度Ｔ１２を、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
【００７５】
アクセル１５２は、運転者が燃料電池車を走行させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル１５２は、その開度（踏み込み量）をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
【００７６】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１６０は、燃料電池システム１００を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
【００７７】
＜ＥＣＵ−弁制御機能＞
ＥＣＵ１６０（弁制御手段）は、遮断弁１２２、パージ弁１２５、掃気ガス排出弁１２６、ドレン弁１２７及び掃気ガス導入弁１４１を、開閉制御する機能を備えている。
【００７８】
＜ＥＣＵ−不調判定機能＞
ＥＣＵ１６０は、セル電圧モニタ１１５から入力される平均セル電圧及び／又は最低セル電圧に基づいて、現在、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、（１）平均セル電圧が所定平均セル電圧以下である場合、（２）最低セル電圧が所定最低セル電圧以下である場合、現在、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定するように設定されている。所定平均セル電圧、所定最低セル電圧は、事前試験等によって求められた電圧であって、アノード流路１１２、カソード流路１１３に多量の水分が滞留し、ＭＥＡに結露水が付着し、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調と判断される電圧である。
なお、このように燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定した場合、ＥＣＵ１６０は、後記するように、アノード圧Ｐ１１を目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３のいずれかに高めた後、パージ弁１２５を開き、水分を排出し、燃料電池スタック１１０の発電状態を回復させるように設定されている。
【００７９】
＜ＥＣＵ−低温判定機能＞
ＥＣＵ１６０は、温度センサ１２９から入力されるシステム温度Ｔ１１、及び／又は、温度センサ１５１から入力される外気温度Ｔ１２に基づいて、現在、低温であり、その後にアノード流路１１２、カソード流路１１３に滞留する水蒸気が結露する虞が高いか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、（１）システム温度Ｔ１１が所定システム温度Ｔ１以下である場合、（２）外気温度Ｔ１２が所定外気温度以下である場合、現在、低温であると判定するように設定されている。
【００８０】
なお、所定システム温度Ｔ１、所定外気温度は、事前試験等によって求められた温度であって、現在、低温であり、その後にアノード流路１１２等に滞留する水蒸気が結露すると判断される温度（例えば、０〜５℃）に設定される。また、後記する動作説明では、システム温度Ｔ１１に基づいて判定する場合を例示する。
その他に例えば、現在のシステム温度Ｔ１１が所定システム温度Ｔ１以下でなかったとしても、システム起動時（発電開始時）におけるシステム温度Ｔ１１が所定システム温度Ｔ１以下である場合、低温であると判断する構成でもよい。外気温度Ｔ１２についても同様である。
【００８１】
＜ＥＣＵ−発電継続時間判定機能＞
ＥＣＵ１６０（発電継続時間判定手段）は、内蔵するクロックを利用して、燃料電池スタック１１０の直近における発電継続時間Δｔ２１を算出する機能を備えている。直近における発電継続時間Δｔ２１とは、直近の発電開始から直近の発電停止までの時間である。
なお、ここでは、ＥＣＵ１６０からの指令に従って、燃料電池スタック１１０から電流を取り出す制御が実行されている場合、燃料電池スタック１１０は発電中であると判断する。因みに、燃料電池スタック１１０の出力端子にはＤＣ−ＤＣチョッパ回路等を含む電力制御装置が接続されており、この電力制御装置がＥＣＵ１６０からの指令電流値及び指令電圧値に従って作動することで、燃料電池スタック１１０の発電電力が０を含めて制御される。
【００８２】
そして、ＥＣＵ１６０は、前記したように低温であると判定した場合において、算出した発電継続時間Δｔ２１に基づいて、燃料電池スタック１１０の直近における発電（発電継続時間Δｔ２１）が、短時間発電であるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、発電継続時間Δｔ２１が所定発電継続時間Δｔ０以下である場合、燃料電池スタック１１０の直近における発電は、短時間発電であると判定するように設定されている。
なお、所定発電継続時間Δｔ０は、事前試験等によって求められた時間であり、短時間発電であるため、発電に伴ってアノード流路１１２を通流した水素の総流量、カソード流路１１３を通流した空気の総流量が少なすぎ、発電に伴って生成した水分が、アノード流路１１２、カソード流路１１３にそのまま滞留していると判断される時間（例えば５〜３０分）に設定される。
【００８３】
＜ＥＣＵ−圧力設定機能＞
ＥＣＵ１６０（圧力設定手段）は、アクセル１５２からのアクセル開度等に基づいて、燃料電池スタック１１０に対しての発電要求量（モータ等の負荷からの負荷要求量）を算出する機能を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると発電要求量は大きくなる。
そして、ＥＣＵ１６０は、算出した発電要求量と、図４のマップとに基づいて、目標とするアノード圧（目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３）と、目標とするカソード圧（目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３）とを算出する機能を備えている。
なお、ここでは、ＭＥＡの両側における圧力バランスを考慮して、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３と、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３とが等しい場合を例示するが、その他に例えば、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３が、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３に対して、高めに設定される構成でもよいし、逆でもよい。
【００８４】
さらに説明すると、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３と、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３とは、図４に示すように、発電要求量が大きくなると、高くなる関係となっている。また、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３は、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順で徐々に高くなるように設定されている。
目標アノード圧Ｐ０、目標カソード圧Ｐ０は、燃料電池スタック１１０の発電状態が通常である場合（不調でない場合）に目標とされる通常圧力である。
目標アノード圧Ｐ１、目標カソード圧Ｐ１は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定された場合に目標とされる第１圧力である。
目標アノード圧Ｐ２、目標カソード圧Ｐ２は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であって、システム温度Ｔ１１等が低温であると判定された場合に目標とされる第２圧力である。
目標アノード圧Ｐ３、目標カソード圧Ｐ３は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であって、システム温度Ｔ１１等が低温であり、燃料電池スタック１１０の直近における発電が短時間発電であると判定された場合に目標とされる第３圧力である。
なお、発電状態が不調である場合における目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ１〜Ｐ３は、事前試験等によって求められる圧力であって、発電状態が不調である等と判断された燃料電池スタック１１０内に滞留する水分が、その後に開かれるパージ弁１２５を介して、好適に排出される圧力にそれぞれ設定される。
【００８５】
＜ＥＣＵ−背圧弁、コンプレッサ制御機能＞
ＥＣＵ１６０は、現在のアノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３に、現在のカソード圧が目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３となるように、発電要求量と図５及び図６のマップとに基づいて、背圧弁１３２の目標開度θ０〜θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０〜Ｒ３を算出し、これに従って、背圧弁１３２及びコンプレッサ１３１を制御する機能を備えている。
【００８６】
背圧弁１３２の目標開度θ０は、燃料電池スタック１１０の発電状態が通常であると判断される場合に目標とされる開度であり、目標開度θ１は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判断される場合に目標とされる開度である。
そして、図５に示すように、背圧弁１３２の目標開度θ０、θ１は、発電要求量が大きくなると、カソード圧が高くなるように小さくなる関係となっている。また、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判断される場合に参照される目標開度θ１は、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加するように、通常であると判断される場合に参照される目標開度θ０よりも大きくなる関係となっている。
【００８７】
なお、目標開度θ１は、全開位置（開度最大）に設定してもよい。また、目標開度θ１は、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ１〜Ｒ３と同様に、（１）不調である場合、（２）不調であって低温である場合、（３）不調かつ低温であって、短時間発電である場合、の順で徐々に大きくなるように、さらに詳細に設定してもよい。
【００８８】
コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０は、燃料電池スタック１１０の発電状態が通常であると判断される場合に目標とされる回転速度であり、目標回転速度Ｒ１は、発電状態が不調であると判断される場合に目標とされる回転速度である。また、目標回転速度Ｒ２は、発電状態が不調であってシステム温度Ｔ１１等が低温であると判断される場合に目標とされる回転速度であり、目標回転速度Ｒ３は、発電状態が不調であってシステム温度Ｔ１１等が低温であり、短時間発電であると判断される場合に目標とされる回転速度である。
【００８９】
そして、図６に示すように、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０〜Ｒ３は、発電要求量が大きくなると、カソード圧及びアノード圧が高くなり、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加するように、高くなる関係となっている。なお、カソード圧が高くなると、前記したように、エゼクタ１に入力されるパイロット圧が高くなり、エゼクタ１の二次側圧力であるアノード圧が高くなる設計となっている。
また、目標回転速度Ｒ０、目標回転速度Ｒ１、目標回転速度Ｒ２、目標回転速度Ｒ３の順で、徐々に高くなる関係となっている。
【００９０】
なお、このような背圧弁１３２の目標開度θ０、θ１、目標回転速度Ｒ０〜Ｒ３は、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３となるように、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ１６０に予め記憶されている。また、目標開度θ１、目標回転速度Ｒ１〜Ｒ３は、増圧開始から同一時間（Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３）の経過後に、アノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３に、カソード圧が目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３となるように、設定されている（図８参照）。
【００９１】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１００の動作について、図７を参照して説明する。
初期状態において、燃料電池スタック１１０の発電状態は通常であり、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）に基づいて、目標アノード圧Ｐ０、目標カソード圧Ｐ０、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０、背圧弁１３２の目標開度θ０を算出し、算出された目標回転速度Ｒ０、目標開度θ０に従って、コンプレッサ１３１及び背圧弁１３２を制御している。
【００９２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１６０は、セル電圧モニタ１１５から入力される平均セル電圧及び／又は最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であるか否か判定する。
燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池スタック１１０の発電状態は不調でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１４に進む。
【００９３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１６０は、温度センサ１２９から入力されるシステム温度Ｔ１１と所定システム温度Ｔ１とに基づいて、低温であるか否か判定する。
システム温度Ｔ１１は所定システム温度Ｔ１以下であり、低温であると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理は、ステップＳ１０６に進む。一方、システム温度Ｔ１１は所定システム温度Ｔ１以下でなく、低温でないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理は、ステップＳ１０３に進む。
【００９４】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ１、目標カソード圧Ｐ１、背圧弁１３２の目標開度θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ１を算出する。
【００９５】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０３で算出した目標開度θ１、目標回転速度Ｒ１に従って、背圧弁１３２、コンプレッサ１３１を制御する。すなわち、通常制御時に対して、コンプレッサ１３１の回転速度を増加し、背圧弁１３２の開度を大きくする。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加し、カソード流路１１３や、ＭＥＡのカソード側表面に付着する水分等が、速やかにカソード流路１１３から排出される。その結果、カソードにおける電極反応は良好に進み、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復方向に向かう。
【００９６】
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧が高くなる。このようにパイロット圧が高くなると、ノズル１１が前進し、ノズル１１の噴射口１２が大きくなり（図３参照）、ノズル１１から噴射される水素の流量が増加し、アノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ１に向かって上昇し始める。
なお、アノード圧Ｐ１１を上昇させる場合、インジェクタ１２３を閉状態で維持することが好ましい。インジェクタ１２３については、後記するステップＳ１０７、Ｓ１１１においても同様である。
【００９７】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ１６０は、圧力センサ１２８から入力される現在のアノード圧Ｐ１１が、ステップＳ１０３で設定した目標アノード圧Ｐ１以上であるか否か判定する。
現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ１以上であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ１以上でないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０５の判定を繰り返す。
【００９８】
次に、ステップＳ１０２の判定結果がＹｅｓの場合に進むステップＳ１０６を説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１６０は、直近における燃料電池スタック１１０の発電が、短時間発電であるか否か判定する。なお、前記したように、直近における発電継続時間Δｔ２１が所定発電継続時間Δｔ０以下である場合、短時間発電であると判定される。
【００９９】
そして、短時間発電であると判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１０に進む。一方、短時間発電でないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０７に進む。
【０１００】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ２、目標カソード圧Ｐ２、背圧弁１３２の目標開度θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ２を算出する。
【０１０１】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０７で算出した目標開度θ１、目標回転速度Ｒ２に従って、背圧弁１３２、コンプレッサ１３１を制御する。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加し、カソード流路１１３の水分等が、速やかにカソード流路１１３から排出され、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復方向に向かう。
この場合において、カソード圧及び空気流量は、ステップＳ１０４におけるカソード圧等よりも高くなるので、カソード流路１１３に滞留する水分は、ステップ１０４よりも確実に排出される。
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧も高くなり、ノズル１１が前進して噴射口１２が大きくなり（図３参照）、ステップＳ１０３よりも高い目標アノード圧Ｐ２に向かって上昇し始める。
【０１０２】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ１６０は、現在のアノード圧Ｐ１１が、ステップＳ１０７で設定した目標アノード圧Ｐ２以上であるか否か判定する。
現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ２以上であると判定した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ２以上でないと判定した場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０９の判定を繰り返す
【０１０３】
次に、ステップＳ１０６の判定結果がＹｅｓの場合に進むステップＳ１１０を説明する。
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ３、目標カソード圧Ｐ３、背圧弁１３２の目標開度θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ３を算出する。
【０１０４】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１１０で算出した目標開度θ１、目標回転速度Ｒ３に従って、背圧弁１３２、コンプレッサ１３１を制御する。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加し、カソード流路１１３の水分等が、速やかにカソード流路１１３から排出され、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復方向に向かう。
この場合において、カソード圧及び空気流量は、ステップＳ１０８におけるカソード圧等よりも高くなるので、カソード流路１１３に滞留する水分は、ステップ１０８よりも確実に排出される。
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧も高くなり、ノズル１１が前進して噴射口１２が大きくなり（図３参照）、アノード圧Ｐ１１がステップＳ１０７よりも高い目標アノード圧Ｐ３に向かって上昇し始める。
【０１０５】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ１６０は、現在のアノード圧Ｐ１１が、ステップＳ１１０で設定した目標アノード圧Ｐ３以上であるか否か判定する。
現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ３以上であると判定した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ３以上でないと判定した場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１１２の判定を繰り返す
【０１０６】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ１６０は、パージ弁１２５を、所定の開弁時間にて開く。そうすると、アノード流路１１２、気液分離器１２４、配管１２４ａ、１２４ｂ等に滞留する水分（水蒸気、結露水）は、開かれたパージ弁１２５を通って、希釈器１３３（外部）に排出され、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復する。
【０１０７】
この場合において、アノード流路１１２等に滞留する水分の量が多くなると予測されるほど、つまり、（１）発電状態が不調である場合、（２）不調であって低温である場合、（３）不調であって低温であり、短時間発電である場合、となるほど、アノード圧Ｐ１１は、目標アノード圧Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３）に高められているので、アノード流路１１２等に滞留する水分を確実に排出できる。
なお、アノード圧Ｐ１１が高くなると、パージ弁１２５が開いた場合における単位時間当たりのパージ流量（Ｌ／ｓ）及びパージ流速が大きくなるので（図８参照）、アノード圧を高めない場合に対して（図８の比較例１参照）、パージ弁１２５の開時間を短くすることもできる（図８の実施例１〜３参照）。
【０１０８】
ステップＳ１１４において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ０、目標カソード圧Ｐ０、背圧弁１３２の目標開度θ０、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０を算出し、これに従って、コンプレッサ１３１、背圧弁１３２を通常に制御する。これにより、カソード圧、アノード圧及び空気流量は通常となる。
その後、ＥＣＵ１６０の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
【０１０９】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１００から得られる効果について、図８を参照して説明する。なお、図８は、説明を簡単にするため、アクセル開度（発電要求量）が一定である場合を例示している。
燃料電池スタック１１０の発電状態が不調あり、これを回復させるべくパージ弁１２５を開き、パージを実行すべき場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、低温であるか否か（Ｓ１０２）、短時間発電であるか否かを判定し（Ｓ１０６）、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３を設定し、現在のアノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達した後（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０９・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、パージ弁１２５を開くので（Ｓ１１３）、アノード流路１１２、気液分離器１２４、配管１２４ａ等に滞留する水分を適切に排出し、燃料電池スタック１１０の発電状態を速やかに回復できる。
【０１１０】
また、このようにアノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に高まっているので、パージ弁１２５を開いた場合におけるパージ流速等が大きくなり、これにより、アノード圧を高めない比較例１に対して、パージ弁１２５の開時間を短くできる（実施例１〜３参照）。
【０１１１】
さらに、アノード圧Ｐ１１を増加させる場合、カソード流路１１３を通流する空気の流量も増加させるので、カソード流路１１３に滞留する水分も速やかに排出できる。さらに、アノード圧を増加させるためにカソード圧を増加させる場合、空気流量、つまり、コンプレッサ１３１の吐出量も増加させるので、コンプレッサ１３１における仕事率を維持したまま、カソード圧を速やかに増加できる。なぜなら、コンプレッサ１３１の回転速度の増加による消費電力の増加は微小であるから、吐出流量を増加させつつ、吐出圧を増加させる方が、コンプレッサ１３１の仕事率を維持しやすいからである。
【０１１２】
さらにまた、このような燃料電池システム１００は、アノード圧Ｐ１１を制御するためのソレノイド等の電磁駆動装置を備えず、空圧駆動型のエゼクタ１を備えるものであるから、システムを容易に構成できる。また、機械的なエゼクタ１であるから、アノード圧Ｐ１１を制御するに際して、エゼクタ１で電力消費されることもなく、燃料電池車の走行距離が長くなる。
【０１１３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更できる。
前記した実施形態では、圧力センサ１２８の検出する現在のアノード圧Ｐ１１が、設定した目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達した後（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０９・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、パージ弁１２５を開く構成としたが（Ｓ１１３）、次のようにしてもよい。
すなわち、カソード圧及びアノード圧Ｐ１１の増圧開始からの時間Δｔ１１が、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達したと判断される第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３以上となった場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０９・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、パージ弁１２５を開く構成としてもよい（Ｓ１１３）。
【０１１４】
この場合において、第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３は、増圧開始時おいて最も低くなると予想される例えばアイドリング時のアノード圧Ｐ１１を基準として、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達するまでに要する時間を設定すればよい。
また、前記した実施形態における目標回転速度Ｒ１〜Ｒ３、目標開度θ１に設定すれば、第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３は同一の時間となるが（図８参照）、例えば、コンプレッサ１３１の回転速度は増加させず、目標回転速度Ｒ０で維持した場合、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ１〜Ｐ３になるにつれて時間を要することになるから、第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３の順で長くなる（Δｔ１＜Δｔ２＜Δｔ３）。
【０１１５】
前記した実施形態では、図２、図３に示すように、ニードル２１が内部に通路２５を有し、水素タンク１２１からの水素が、一旦、通路を通流した後、連通孔２８を通って、ノズル１１内に流出する構成としたが、その他に例えば、軸受２６を肉厚で形成すると共に、その周壁内に軸方向で連通孔を形成し、水素タンク１２１からの水素が、軸受２６の前記連通孔を通って、ノズル１１内に流出する構成としてもよい。この場合において、前記連通孔は、軸受２６の周壁内に周方向で複数（例えば６０°間隔）形成することが好ましい。
【０１１６】
前記した実施形態では、図２、図３に示すように、固定状態のニードル２１に対して、ノズル１１がパイロット圧に基づいて変位することで、二次側圧力（アノード圧）が制御される構成を例示したが、その他に例えば、固定状態のノズルに対して、ニードルがパイロット圧に基づいて変位することで、ノズルの噴射口が可変し、二次側圧力が制御される構成でもよい。
【０１１７】
前記した実施形態では、パージ弁１２５を開き、水分を排出する構成としたが、その他に例えば、パージ弁１２５に加えて、又は代えて、掃気ガス排出弁１２６やドレン弁１２７を開く構成としてもよい。
【０１１８】
前記した実施形態では、セル電圧モニタ１１５から入力される平均セル電圧及び／又は最低セル電圧に基づいて、ＥＣＵ１６０は燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であるか否か判定するとしたが、次のようにしてもよい。
燃料電池スタック１１０の出力（電流値、電圧値）を制御する電力制御装置への指令電流値及び指令電圧値と、電流センサ（発電状態検出手段）が検出する実際の電流値、電圧センサ（発電状態検出手段）が検出する実際の電圧値との差が、所定値以上である場合、不調であると判断する構成としてもよい。
また、現在のアノード圧、カソード圧、空気流量から得られるべき燃料電池スタック１１０のＩＶ（電流−電圧）曲線と、実際のＩＶ曲線とが、所定差以上である場合、不調であると判断する構成としてもよい。
【０１１９】
前記した実施形態では、燃料電池システム１００が四輪や二輪の燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、定置型の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１２０】
１ エゼクタ
１１ ノズル（圧力制御機構）
１２ 噴射口
２１ ニードル（圧力制御機構）
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１１５ セル電圧モニタ（発電状態検出手段）
１２１ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
１２１ａ、１２２ａ、１２２ｂ 配管（燃料ガス供給流路）
１２３ａ 配管（パイロット圧入力流路）
１２４ａ、１２４ｂ 配管（燃料オフガス流路）
１２５ パージ弁（排出弁）
１２６ 掃気ガス（排出弁）
１２７ ドレン弁（排出弁）
１２８ 圧力センサ
１２９、１５２ 温度センサ
１３１ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、圧力制御手段、流量制御手段）
１３１ａ 配管（酸化剤ガス供給流路）
１３２ 背圧弁（圧力制御手段、流量制御手段）
１６０ ＥＣＵ（制御手段、発電継続時間判定手段）
Ｐ０ 目標アノード圧（通常圧力）
Ｐ１ 目標アノード圧（第１圧力）
Ｐ２ 目標アノード圧（第２圧力）
Ｐ３ 目標アノード圧（第３圧力）
Ｐ１１ 現在のアノード圧
Ｔ１１ システム温度
Ｔ１２ 外気温度（燃料電池システムの周囲温度）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。
【０００３】
このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気（生成水）が生成し、この生成水の一部は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を透過し、アノード流路（燃料ガス流路）にクロスリークする。そして、クロスリークした水分の一部は、アノード流路に滞留し、ＭＥＡの表面等に付着する。このように水分が付着すると、この付着した水分に邪魔されて、水素がアノード（アノードを形成する触媒）に供給されにくくなり、燃料電池の電圧（出力）が目標電圧以下に低下し、燃料電池の発電状態が不調となる場合がある。
【０００４】
そこで、このように燃料電池の発電状態が不調となった場合、アノード流路におけるガスの圧力を一時的に高めると共に、アノード流路の下流に設けられたパージ弁（排出弁）を一時的に開き、アノード流路に滞留するガス及び水分を、外部にパージ（排出）する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１２５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、ソレノイドで駆動するエゼクタによって、アノード流路におけるガスの圧力（アノード圧）を制御しているので、ソレノイド等の電磁駆動装置を備える必要がある。
【０００７】
そこで、本発明は、システム構成を簡易にしつつ、水分を好適にパージ可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段と前記燃料ガス流路の入口とを接続する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタと、前記燃料ガス流路の出口と前記エゼクタとを接続する燃料オフガス流路と、前記燃料オフガス流路に接続され、開くことで、前記燃料オフガス流路のガスを外部に排出する排出弁と、酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段と前記酸化剤ガス流路の入口とを接続する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、酸化剤ガスの圧力を前記エゼクタにパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、前記排出弁及び前記圧力制御手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記エゼクタは、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルと、前記ノズルの軸線上に配置されたニードルと、前記ノズルから噴射された燃料ガスと前記燃料オフガス流路からの燃料オフガスとを混合するディフューザと、を備え、前記パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると前記ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、前記制御手段は、前記発電状態検出手段の検出する前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力及びパイロット圧を高めた後、前記排出弁を開くことを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
このような燃料電池システムによれば、圧制御機構を備えるエゼクタによって、エゼクタの二次側圧力、つまり、下流の燃料ガス流路におけるガスの圧力は制御される。
すなわち、エゼクタの圧力制御機構によって、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると、ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる。一方、パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が低くなると、ノズルの噴射口が小さくなり、二次側圧力が低くなる。
【００１０】
そして、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高めるので、パイロット圧入力流路を介してエゼクタに入力されるパイロット圧が高くなる。そうすると、エゼクタを構成するノズルの噴射口が大きくなり、ノズルから噴射される燃料ガスの流量が増加し、エゼクタの二次側圧力、つまり、燃料ガス流路におけるガスの圧力が高くなる。
【００１１】
このように燃料ガス流路におけるガスの圧力が高くなっている状態において、制御手段が排出弁を開くので、燃料ガス流路に滞留するガスと共に、燃料ガス流路に滞留する水分（水蒸気）、燃料電池を構成するＭＥＡの表面や燃料ガス流路を囲む流路壁面に付着した水分（結露水）が、開かれた排出弁を介して速やかに外部に排出される。そうすると、水分に邪魔されることなく、燃料ガスがＭＥＡのアノードに良好に供給され、アノードにおける電極反応が良好に進行し、燃料電池の発電状態は速やかに回復する。
【００１２】
このように、燃料電池システムによれば、ソレノイド等の電磁駆動装置を備えず、パイロット圧によって駆動する空圧駆動型のエゼクタを備えるので、システム構成が簡易となる。また、燃料ガスの圧力制御に際して、前記電磁駆動装置によって電力消費することもない。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、前記制御手段は、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、前記酸化剤ガス流路に滞留する水分が排出されるように、前記流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させることを特徴とする。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、制御手段は、圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させる。そうすると、酸化剤ガス流路に滞留する水分（水蒸気、結露水等）が外部に排出される。これにより、水分に邪魔されることなく、酸化剤ガスがＭＥＡのカソードに良好に供給され、カソードにおける電極反応が良好に進行し、燃料電池の発電状態は速やかに回復する。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力センサの検出する圧力が、発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達した後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、圧力センサの検出する圧力が、通常圧力よりも高い第１圧力に到達した後、排出弁を開くので、燃料ガス流路に滞留する水分を確実に排出できる。すなわち、圧力センサによって、エゼクタの下流における燃料ガス流路のガスの圧力が、通常圧力よりも高い第１圧力に到達したか否か確認できる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力が発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する第１時間の経過後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、エゼクタの下流におけるガスの圧力が通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する第１時間の経過後、排出弁を開くので、燃料ガス流路の水分を確実に排出できる。
なお、第１時間は、事前試験やシミュレーションによって、エゼクタの下流（燃料ガス流路）におけるガスの圧力が通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する時間に設定される。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、システム温度又はシステムの周囲温度を検出する温度センサを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００２０】
ここで、システム温度又はシステムの周囲温度が低くなると、燃料ガス流路に滞留する水蒸気は、その後に結露しやすくなる。
そこで、このような燃料電池システムによれば、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、エゼクタの下流（燃料ガス流路）におけるガスの圧力を、第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、排出弁を開くので、より多量の水分を排出できる。
【００２１】
このようにして、第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、排出弁を開き、より多量の水分を排出するので、その後に燃料ガス流路で結露しにくくなる。
なお、所定温度は、事前試験等によって、その後に水蒸気が結露し、燃料電池の発電状態が不調となると判断される温度に設定される。
【００２２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電開始から発電停止までの発電継続時間が、所定時間以下であるか否か判定する発電継続時間判定手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定し、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、前記発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、前記排出弁を開くことを特徴とする。
【００２３】
ここで、燃料電池の発電継続時間が短くなると、燃料電池を通流した燃料ガス及び酸化剤ガスの総流量も少なくなり、発電に伴って生成した水分が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路にそのまま滞留し、現在滞留している水分の量が多くなる。特に、現在のシステム温度又はシステムの周囲温度が前記した所定温度以下であると、その後に滞留する多量の水分が結露し、燃料電池が不調となりやすい。
【００２４】
そこで、このような燃料電池システムによれば、制御手段が、燃料電池の発電状態が不調であると判定し、温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、エゼクタの下流（燃料ガス流路）におけるガスの圧力を、前記した第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、排出弁を開くので、より多量の水分を排出できる。
【００２５】
このようにして、第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、排出弁を開き、より多量の水分を排出するので、その後に燃料ガス流路で結露しにくくなる。
なお、所定時間は、事前試験等によって、燃料電池を通流する燃料ガス及び酸化剤ガスの総流量が少なく、燃料電池内に多量の水分が滞留していると判断される時間に設定される。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、システム構成を簡易にしつつ、水分を好適にパージ可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る空圧駆動型のエゼクタの側断面図であり、パイロット圧が低く、ノズルが後退し、噴射口が小さく、アノード圧（二次側圧力）が低い状態を示す。
【図３】本実施形態に係る空圧駆動型のエゼクタの側断面図であり、パイロット圧が高く、ノズルが前進し、噴射口が大きく、アノード圧（二次側圧力）が高い状態を示す。
【図４】発電要求量と、目標アノード圧、目標カソード圧との関係を示すマップである。
【図５】発電要求量と、背圧弁の目標開度との関係を示すマップである。
【図６】発電要求量と、コンプレッサの目標回転速度との関係を示すマップである。
【図７】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図８】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
【００２９】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１００は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、セル電圧モニタ１１５と、燃料電池スタック１１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１１０の掃気時に掃気ガスをカソード系からアノード系に導く掃気ガス導入系と、これらを電子制御するＥＣＵ１６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３０】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１１は直列で接続されている。単セル１１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００３１】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セル１１１に水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１２（燃料ガス流路）、カソード流路１１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３２】
そして、アノード流路１１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１１０とモータ等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
【００３３】
＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１１５（発電状態検出手段）は、燃料電池スタック１１０を構成する複数の単セル１１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１１をスキャニングし、各単セル１１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１１５）は、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
【００３４】
ここで、平均セル電圧や最低セル電圧は、燃料電池スタック１１０の発電状態に依存するパラメータであるから、セル電圧モニタ１１５は、燃料電池スタック１１０の発電状態を検出する発電状態検出機能を備えている。
因みに、アノード流路１１２、カソード流路１１３に滞留する水分（水蒸気、結露水）が多くなり、ＭＥＡの表面に結露水が付着すると、アノードに水素が、カソードに空気が供給されにくくなる。そして、このように、水素、空気が供給されにくくなると、平均セル電圧や最低セル電圧が低下し、燃料電池スタック１１０の発電状態は不調に近づく。
【００３５】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク１２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁１２２と、エゼクタ１と、気液分離器１２４と、常閉型のパージ弁１２５（排出弁）と、常閉型の掃気ガス排出弁１２６（排出弁）と、常閉型のドレン弁１２７（排出弁）と、圧力センサ１２８と、温度センサ１２９とを備えている。
【００３６】
＜アノード系−上流側＞
水素タンク１２１は、配管１２１ａ、遮断弁１２２、配管１２２ａ、エゼクタ１、配管１２２ｂを介して、アノード流路１１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ１６０からの指令によって遮断弁１２２が開かれると、水素が、水素タンク１２１から遮断弁１２２等を通って、アノード流路１１２に供給されるようになっている。
【００３７】
すなわち、水素タンク１２１と、アノード流路１１２との入口とを接続する水素供給流路（燃料ガス供給流路）は、配管１２１ａと、配管１２２ａと、配管１２２ｂとを備えて構成されている。そして、エゼクタ１は、前記水素供給流路に設けられている。
【００３８】
＜エゼクタ＞
ここで、図２、図３を参照して、エゼクタ１の具体的構造を説明する。
エゼクタ１は、水素タンク１２１からの水素をノズル１１で噴射することで発生する負圧によって、アノードオフガスを吸引し、これらをディフューザ４１で混合した後、アノード流路１１２に供給する機能を備えている。
【００３９】
また、エゼクタ１は、カソード系から入力されるパイロット圧に基づいて、固定状態のニードル２１に対してノズル１１が軸方向において変位することで、ノズル１１の噴射口１２の面積が可変し、これにより、ノズル１１の下流の圧力（二次側圧力）、つまり、アノード流路１１２におけるガスの圧力（アノード圧）を制御する機能を備えている。
すなわち、エゼクタ１は、ソレノイド（電磁駆動装置）によって駆動するものではなく、入力されるパイロット圧に基づいて、ノズル１１が機械的に変位することで、二次側圧力を制御する空圧駆動型のものである。
【００４０】
このようなエゼクタ１は、例えば、ノズル１１と、ニードル２１と、第１ボディ３１及び第２ボディ３２と、ディフューザ４１と、第１ダイアフラム５１及び第２ダイアフラム５２と、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２と、を備えている。
そして、エゼクタ１内は、第１ダイアフラム５１及び第２ダイアフラム５２によって、水素タンク１２１からの水素が流入する第１ボディ３１内の第１室Ａ１と、ノズル１１で噴射された水素及びアノードオフガスを混合するディフューザ４１内の第２室Ａ２（混合室）と、カソード系からの空気が流入する第３室Ａ３（パイロット室）と、に仕切られている。
【００４１】
ニードル２１は、リング状のブラケット２２を介して、第１ボディ３１及び第２ボディ３２に固定されており、固定状態となっている。なお、ブラケット２２には、軸方向において複数の連通孔（図示しない）が形成されており、図２、図３におけるブラケット２２の左右の空間は、前記連通孔を介して連通しており、いずれも第１室Ａ１である。
【００４２】
また、ニードル２１は、内部に通路２５を有する筒状の胴部２３と、胴部２３の一端側（前側）に形成された針状の先端部２４と、を有している。そして、先端部２４に対して、ノズル１１が変位することで、ノズル１１の噴射口１２が可変するようになっている。なお、胴部２３の外周面には、ノズル１１との径方向における相対位置を決めるための軸受２６が取り付けられている。
【００４３】
さらに説明すると、水素タンク１２１からの水素は、第１ボディ３１に形成された入口ポート３３、リング状の第１室Ａ１、胴部２３の周壁に周方向で９０°間隔に形成された連通孔２７を通って、通路２５に流入するようになっている。
次いで、水素は、通路２５をニードル２１の先端部２４に向かって通流した後、胴部２３の先端側に周方向で９０°間隔にスロット状（長孔状）で形成された連通孔２８を通って、一旦、ノズル１１内に流出した後、ノズル１１の噴射口１２から第２室Ａ２に噴射されるようになっている。なお、水素が、通路２５を通流することで、軸受２６を軸方向において横切るように設計されている。
【００４４】
そして、ノズル１１から第２室Ａ２に水素が噴射されると、第２室Ａ２で負圧が生成し、この負圧によって、ディフューザ４１に形成された吸気ポート４２を介してアノードオフガスを吸引されるようになっている。次いで、噴射された水素と、吸引されたアノードオフガスとは、ディフューザ４１で混合されながら、アノード流路１１２に向かうようになっている。
【００４５】
ノズル１１は、軸受２６の外側に摺動自在に設けられており、これにより、ノズル１１がニードル２１に対して変位自在となっている。
なお、ノズル１１が変位すると、ノズル１１の噴射口１２とニードル２１の先端部２４との距離が可変し、噴射口１２の面積が可変するように構成されている。すなわち、ノズル１１が前進し、噴射口１２と先端部２４との距離が長くなると、噴射口１２の面積が大きくなるように構成されている。一方、ノズル１１が後退し、噴射口１２と先端部２４との距離が短く、つまり、先端部２４が噴射口１２に挿通した状態に近づくと、噴射口１２の面積が小さくなるように構成されている。
【００４６】
ここで、噴射口１２の面積が大きくなると、ノズル１１から噴射される水素量が増加するから、エゼクタ１の下流、つまり、アノード圧（アノード流路１１２のガスの圧力）は高くなる。一方、噴射口１２の面積が小さくなると、ノズル１１から噴射される水素量が減少するから、アノード圧は低くなる。
【００４７】
また、ノズル１１は、ノズル１１に外嵌した第１リング部材１３とで、第１ダイアフラム５１の内周縁を挟んでいる。一方、第１ダイアフラム５１の外周縁は、第１ボディ３１とディフューザ４１とで挟まれており、第１ダイアフラム５１は、第１室Ａ１と第２室Ａ２とを仕切っている。
【００４８】
さらに、第１リング部材１３とディフューザ４１との間には、第１圧縮コイルばね６１が縮設されている。そして、第１圧縮コイルばね６１は、ノズル１１を後退させる向き（図２、図３において左向き）に付勢している。
【００４９】
また、ノズル１１は、ブラケット２２を貫通するボルト１４を介して、側断面視でハット状を呈する基部１５と連結されている。
なお、ボルト１４とブラケット２２との間には、円筒状のカラー１６が取り付けられている。カラー１６は、ブラケット２２に対して摺動自在であると共に、軸方向におけるノズル１１と基部１５との間隔を所定距離で保持している。すなわち、ノズル１１は、ボルト１４、カラー１６、基部１５、後記する第２リング部材１７及び第３リング部材１８と、一体に構成されている。
【００５０】
基部１５は、ニードル２１の後端部に外嵌し、かつ、摺動自在に設けられており、基部１５には第２リング部材１７及び第３リング部材１８が外嵌している。そして、第２リング部材１７及び第３リング部材１８は、第２ダイアフラム５２の内周縁を挟んでいる。一方、第２ダイアフラム５２の外周縁は、第１ボディ３１と第２ボディ３２とで挟まれており、第２ダイアフラム５２は、第１室Ａ１と第３室Ａ３とを仕切っている。
【００５１】
第３室Ａ３（パイロット室）は、第２ボディ３２内に形成された空間であり、カソード系からの空気が、第２ボディ３２に形成された入口ポート３４を通って、第３室Ａ３に流入するようになっている。
なお、入口ポート３４には、図１に示すように、カソード系の後記する配管１３１ａ（酸化剤ガス供給流路）から分岐し、カソード流路１１３における圧力（カソード圧）をパイロット圧としてエゼクタ１に入力する配管１２３ａ（パイロット圧入力流路）が接続されている。また、配管１２３ａにはエゼクタ１に向かう空気の流量を絞るためのオリフィス１２３ｂが設けられている。さらに、オリフィス１２３ｂの下流の配管１２３ａは、配管１２３ｃを介して、ＥＣＵ１６０によって開閉制御（ＰＷＭ制御）される常閉型のインジェクタ１２３に接続されている。すなわち、ＥＣＵ１６０によってインジェクタ１２３が開かれると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧が低下するようになっている。
【００５２】
図２、図３に戻って説明を続ける。
第３リング部材１８と第２ボディ３２との間には、第２圧縮コイルばね６２が縮設されている。そして、第２圧縮コイルばね６２は、ノズル１１を前進させる向き（図２、図３において右向き）に付勢している。
【００５３】
ここで、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２のばね力と、第３室Ａ３（パイロット室）における圧力（パイロット圧）と、ノズル１１のポジションとの関係を説明する。
システムが停止、つまり、コンプレッサ１３１が停止し、第３室Ａ３（エゼクタ１）に入力されるパイロット圧が低い場合、第１圧縮コイルばね６１のばね力によって、ノズル１１が後退し、ノズル１１の噴射口１２が小さくなるように構成されている（図２参照）。
【００５４】
これに対し、コンプレッサ１３１が作動し、第３室Ａ３に入力されるパイロット圧が高くなると、第３室Ａ３に流入した空気が基部１５及び第３リング部材１８を、図２の右向きに押圧し、これにより、基部１５等と一体であるノズル１１が前進し、噴射口１２が大きくなり、アノード圧（エゼクタ１の二次側圧力）が高くなるように構成されている（図３参照）。
【００５５】
なお、アノード圧とカソード圧との差圧（ΔＰ）が大きいと、ＭＥＡが変形する虞があるため、通常は、アノード圧とカソード圧とが略一致、または、アノード圧が若干高くなるように、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２のばね力は設定されている。
【００５６】
ここで、エゼクタ１において、配管１２３ａ（パイロット圧入力流路）から入力されるパイロット圧が高くなるとノズル１１の噴射口１２が大きくなり、二次側圧力を高くする圧力制御機構は、固定状態のニードル２１と、パイロット圧に基づいて変位するノズル１１と、エゼクタ１内を仕切る第１ダイアフラム５１及び第２ダイアフラム５２と、第１圧縮コイルばね６１及び第２圧縮コイルばね６２と、を備えて構成されている。
【００５７】
＜アノード系−下流側＞
図１に戻って説明を続ける。
アノード流路１１２の出口は、配管１２４ａ、気液分離器１２４、配管１２４ｂを介して、エゼクタ１の吸気ポート４２（図２参照）に接続されている。そして、アノード流路１１２から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管１２４ａ等を通って、エゼクタ１に戻された後、アノード流路１１２に再供給されるようになっている。
すなわち、アノード流路１１２の出口と、エゼクタ１の吸気ポート４２とを接続するアノードオフガス流路（水素オフガス流路、燃料オフガス流路）は、配管１２４ａと、配管１２４ｂとを備えて構成されており、水素を循環させる水素循環ラインとして機能している。
【００５８】
＜気液分離器＞
気液分離器１２４は、アノードオフガスに含まれる水分（結露水、水蒸気）を分離すると共に、分離した水分を一時的に、例えば底部（タンク部）に貯溜するものである。
気液分離器１２４における気液分離方式としては、例えば、（１）アノードオフガスの流路断面積を増大させることで、その流速を低下させると共に、水分をその自重によってその場に留まらせることで分離する方式や、（２）低温冷媒が通流する冷媒管によってアノードオフオフガスの水蒸気を結露させて分離する方式や、（３）アノードオフガスを蛇行又は旋回させ、水分に遠心力を作用させて分離する方式、等を採用できる。
【００５９】
＜パージ弁＞
配管１２４ｂは、配管１２５ａ、パージ弁１２５、配管１２５ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。
パージ弁１２５は、燃料電池スタック１１０の発電時や発電停止時において、アノード流路１１２から排出され、配管１２４ａ及び配管１２４ｂを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ１６０によって開かれる。
なお、ＥＣＵ１６０は、例えば、燃料電池スタック１１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁１２５を開く設定となっている。
【００６０】
また、パージ弁１２５は、アノード流路１１２の掃気時において、アノード流路１１２から配管１２４ａ、１２４ｂに排出された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器１３３（外部）に速やかに排出するため、掃気ガス排出弁１２６及びドレン弁１２７と共に開かれる設定となっている。
【００６１】
＜掃気ガス排出弁＞
また、配管１２５ａ（パージ弁１２５）の接続位置よりも上流の配管１２４ｂは、配管１２６ａ、掃気ガス排出弁１２６、配管１２６ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。
掃気ガス排出弁１２６は、アノード流路１１２の掃気時において、アノード流路１１２から排出された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器１３３（外部）に排出するため、パージ弁１２５等と共に開かれる設定となっている。
【００６２】
＜ドレン弁＞
気液分離器１２４の底部は、配管１２７ａ、ドレン弁１２７、配管１２７ｂを介して、後記する希釈器１３３に接続されている。ドレン弁１２７は、気液分離器１２４の底部に貯溜された水分、つまり、アノード流路１１２からアノードオフガス流路（配管１２４ａ等）に排出された水分を、希釈器１３３に排出する場合、ＥＣＵ１６０によって開かれる。
なお、気液分離器１２４における貯溜水量は、水位センサや、燃料電池スタック１１０の積算電流値に基づいて検出（算出）される。
【００６３】
また、ドレン弁１２７は、アノード流路１１２の掃気時において、アノード流路１１２から配管１２４ａ、１２４ｂに排出（導入）された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器１３３（外部）に速やかに排出するため、掃気ガス排出弁１２６等と共に開かれる設定となっている。
【００６４】
圧力センサ１２８は、配管１２２ｂに取り付けられており、その検出値を現在のアノード流路１１２内の圧力（アノード圧Ｐ１１）として、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
ただし、圧力センサ１２８の取付位置はこれに限定されず、例えば、アノード流路１１２や、配管１２４ａに取り付けられた構成でもよい。
【００６５】
温度センサ１２９は、配管１２４ａに取り付けられており、配管１２４ａ内の温度を、システム温度Ｔ１１として検出し、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
ただし、システム温度を検出する温度センサ１２９の取付位置はこれに限定されず、例えば、配管１３２ａや、燃料電池スタック１１０から排出された冷媒が通流する配管（図示しない）に取り付けられた構成でもよい。
【００６６】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ１３１（酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段）と、常開型の背圧弁１３２と、希釈器１３３とを備えている。
コンプレッサ１３１は、配管１３１ａ（酸化剤ガス（空気）供給流路）を介して、カソード流路１１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ１３１は、ＥＣＵ１６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管１３１ａを介して、カソード流路１１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ１３１は、燃料電池スタック１１０の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。
【００６７】
なお、配管１３１ａと配管１３２ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分透過性を有する中空糸膜を複数本内蔵し、この中空糸膜を介して、カソード流路１１３に向かう空気と、カソード流路１１３から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１１３に向かう空気を加湿するものである。
【００６８】
カソード流路１１３の出口は、配管１３２ａ、背圧弁１３２、配管１３２ｂを介して、希釈器１３３に接続されている。そして、カソード流路１１３（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管１３２ａ等を通って希釈器１３３に導かれるようになっている。
【００６９】
背圧弁１３２は、例えばバタフライ弁から構成され、その開度がＥＣＵ１６０によって制御されることで、カソード流路１１３における空気の圧力を制御するものである。
【００７０】
ここで、カソード流路１１３におけるガスの圧力（カソード圧）は、コンプレッサ１３１の回転速度（吐出圧）及び／又は背圧弁１３２の開度によって制御される。すなわち、コンプレッサ１３１の回転速度が高まり、その吐出圧が高くなると、カソード圧は高くなり、また、背圧弁１３２の開度が小さくなっても、カソード圧は高くなる。したがって、カソード流路１１３における空気の圧力（カソード圧）を制御する圧力制御手段は、コンプレッサ１３１と、背圧弁１３２とを備えて構成されている。
なお、カソード圧が制御されると、これに連動して、配管１２３ａを通ってエゼクタ１に入力されるパイロット圧も制御される。つまり、カソード圧が高くなるとパイロット圧も高くなり、カソード圧が低くなるとパイロット圧も低くなる。
【００７１】
また、カソード流路１１３を通流する空気の流量は、コンプレッサ１３１の回転速度（吐出量）及び／又は背圧弁１３２の開度によって制御される。すなわち、コンプレッサ１３１の回転速度が高くなると、空気の流量は増加し、また、背圧弁１３２の開度が大きくなっても空気の流量が増加する。したがって、カソード流路１１３を通流する空気の流量を制御する流量制御手段は、コンプレッサ１３１と、背圧弁１３２とを備えて構成されている。
【００７２】
希釈器１３３は、パージ弁１２５からのアノードオフガスと、配管１３２ｂからのカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管１３３ａを通って車外に排出されるようになっている。
【００７３】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、常閉型の掃気ガス導入弁１４１を備えている。掃気ガス導入弁１４１の上流は配管１４１ａを介して配管１３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁１４１の下流は配管１４１ｂを介して配管１２２ｂに接続されている。
そして、燃料電池スタック１１０（アノード流路１１２）の掃気時に、コンプレッサ１３１が作動した状態で、ＥＣＵ１６０によって掃気ガス導入弁１４１が開かれると、コンプレッサ１３１からの掃気ガスが、アノード流路１１２に導入されるようになっている。
【００７４】
＜その他機器＞
温度センサ１５１は、燃料電池システム１００の周囲温度である外気温度Ｔ１２を検出するセンサであり、燃料電池車の適所に取り付けられている。そして、温度センサ１５１は、検出した外気温度Ｔ１２を、ＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
【００７５】
アクセル１５２は、運転者が燃料電池車を走行させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル１５２は、その開度（踏み込み量）をＥＣＵ１６０に出力するようになっている。
【００７６】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１６０は、燃料電池システム１００を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
【００７７】
＜ＥＣＵ−弁制御機能＞
ＥＣＵ１６０（弁制御手段）は、遮断弁１２２、パージ弁１２５、掃気ガス排出弁１２６、ドレン弁１２７及び掃気ガス導入弁１４１を、開閉制御する機能を備えている。
【００７８】
＜ＥＣＵ−不調判定機能＞
ＥＣＵ１６０は、セル電圧モニタ１１５から入力される平均セル電圧及び／又は最低セル電圧に基づいて、現在、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、（１）平均セル電圧が所定平均セル電圧以下である場合、（２）最低セル電圧が所定最低セル電圧以下である場合、現在、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定するように設定されている。所定平均セル電圧、所定最低セル電圧は、事前試験等によって求められた電圧であって、アノード流路１１２、カソード流路１１３に多量の水分が滞留し、ＭＥＡに結露水が付着し、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調と判断される電圧である。
なお、このように燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定した場合、ＥＣＵ１６０は、後記するように、アノード圧Ｐ１１を目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３のいずれかに高めた後、パージ弁１２５を開き、水分を排出し、燃料電池スタック１１０の発電状態を回復させるように設定されている。
【００７９】
＜ＥＣＵ−低温判定機能＞
ＥＣＵ１６０は、温度センサ１２９から入力されるシステム温度Ｔ１１、及び／又は、温度センサ１５１から入力される外気温度Ｔ１２に基づいて、現在、低温であり、その後にアノード流路１１２、カソード流路１１３に滞留する水蒸気が結露する虞が高いか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、（１）システム温度Ｔ１１が所定システム温度Ｔ１以下である場合、（２）外気温度Ｔ１２が所定外気温度以下である場合、現在、低温であると判定するように設定されている。
【００８０】
なお、所定システム温度Ｔ１、所定外気温度は、事前試験等によって求められた温度であって、現在、低温であり、その後にアノード流路１１２等に滞留する水蒸気が結露すると判断される温度（例えば、０〜５℃）に設定される。また、後記する動作説明では、システム温度Ｔ１１に基づいて判定する場合を例示する。
その他に例えば、現在のシステム温度Ｔ１１が所定システム温度Ｔ１以下でなかったとしても、システム起動時（発電開始時）におけるシステム温度Ｔ１１が所定システム温度Ｔ１以下である場合、低温であると判断する構成でもよい。外気温度Ｔ１２についても同様である。
【００８１】
＜ＥＣＵ−発電継続時間判定機能＞
ＥＣＵ１６０（発電継続時間判定手段）は、内蔵するクロックを利用して、燃料電池スタック１１０の直近における発電継続時間Δｔ２１を算出する機能を備えている。直近における発電継続時間Δｔ２１とは、直近の発電開始から直近の発電停止までの時間である。
なお、ここでは、ＥＣＵ１６０からの指令に従って、燃料電池スタック１１０から電流を取り出す制御が実行されている場合、燃料電池スタック１１０は発電中であると判断する。因みに、燃料電池スタック１１０の出力端子にはＤＣ−ＤＣチョッパ回路等を含む電力制御装置が接続されており、この電力制御装置がＥＣＵ１６０からの指令電流値及び指令電圧値に従って作動することで、燃料電池スタック１１０の発電電力が０を含めて制御される。
【００８２】
そして、ＥＣＵ１６０は、前記したように低温であると判定した場合において、算出した発電継続時間Δｔ２１に基づいて、燃料電池スタック１１０の直近における発電（発電継続時間Δｔ２１）が、短時間発電であるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ１６０は、発電継続時間Δｔ２１が所定発電継続時間Δｔ０以下である場合、燃料電池スタック１１０の直近における発電は、短時間発電であると判定するように設定されている。
なお、所定発電継続時間Δｔ０は、事前試験等によって求められた時間であり、短時間発電であるため、発電に伴ってアノード流路１１２を通流した水素の総流量、カソード流路１１３を通流した空気の総流量が少なすぎ、発電に伴って生成した水分が、アノード流路１１２、カソード流路１１３にそのまま滞留していると判断される時間（例えば５〜３０分）に設定される。
【００８３】
＜ＥＣＵ−圧力設定機能＞
ＥＣＵ１６０（圧力設定手段）は、アクセル１５２からのアクセル開度等に基づいて、燃料電池スタック１１０に対しての発電要求量（モータ等の負荷からの負荷要求量）を算出する機能を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると発電要求量は大きくなる。
そして、ＥＣＵ１６０は、算出した発電要求量と、図４のマップとに基づいて、目標とするアノード圧（目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３）と、目標とするカソード圧（目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３）とを算出する機能を備えている。
なお、ここでは、ＭＥＡの両側における圧力バランスを考慮して、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３と、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３とが等しい場合を例示するが、その他に例えば、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３が、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３に対して、高めに設定される構成でもよいし、逆でもよい。
【００８４】
さらに説明すると、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３と、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３とは、図４に示すように、発電要求量が大きくなると、高くなる関係となっている。また、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３は、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順で徐々に高くなるように設定されている。
目標アノード圧Ｐ０、目標カソード圧Ｐ０は、燃料電池スタック１１０の発電状態が通常である場合（不調でない場合）に目標とされる通常圧力である。
目標アノード圧Ｐ１、目標カソード圧Ｐ１は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定された場合に目標とされる第１圧力である。
目標アノード圧Ｐ２、目標カソード圧Ｐ２は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であって、システム温度Ｔ１１等が低温であると判定された場合に目標とされる第２圧力である。
目標アノード圧Ｐ３、目標カソード圧Ｐ３は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であって、システム温度Ｔ１１等が低温であり、燃料電池スタック１１０の直近における発電が短時間発電であると判定された場合に目標とされる第３圧力である。
なお、発電状態が不調である場合における目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ１〜Ｐ３は、事前試験等によって求められる圧力であって、発電状態が不調である等と判断された燃料電池スタック１１０内に滞留する水分が、その後に開かれるパージ弁１２５を介して、好適に排出される圧力にそれぞれ設定される。
【００８５】
＜ＥＣＵ−背圧弁、コンプレッサ制御機能＞
ＥＣＵ１６０は、現在のアノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３に、現在のカソード圧が目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３となるように、発電要求量と図５及び図６のマップとに基づいて、背圧弁１３２の目標開度θ０〜θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０〜Ｒ３を算出し、これに従って、背圧弁１３２及びコンプレッサ１３１を制御する機能を備えている。
【００８６】
背圧弁１３２の目標開度θ０は、燃料電池スタック１１０の発電状態が通常であると判断される場合に目標とされる開度であり、目標開度θ１は、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判断される場合に目標とされる開度である。
そして、図５に示すように、背圧弁１３２の目標開度θ０、θ１は、発電要求量が大きくなると、カソード圧が高くなるように小さくなる関係となっている。また、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判断される場合に参照される目標開度θ１は、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加するように、通常であると判断される場合に参照される目標開度θ０よりも大きくなる関係となっている。
【００８７】
なお、目標開度θ１は、全開位置（開度最大）に設定してもよい。また、目標開度θ１は、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ１〜Ｒ３と同様に、（１）不調である場合、（２）不調であって低温である場合、（３）不調かつ低温であって、短時間発電である場合、の順で徐々に大きくなるように、さらに詳細に設定してもよい。
【００８８】
コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０は、燃料電池スタック１１０の発電状態が通常であると判断される場合に目標とされる回転速度であり、目標回転速度Ｒ１は、発電状態が不調であると判断される場合に目標とされる回転速度である。また、目標回転速度Ｒ２は、発電状態が不調であってシステム温度Ｔ１１等が低温であると判断される場合に目標とされる回転速度であり、目標回転速度Ｒ３は、発電状態が不調であってシステム温度Ｔ１１等が低温であり、短時間発電であると判断される場合に目標とされる回転速度である。
【００８９】
そして、図６に示すように、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０〜Ｒ３は、発電要求量が大きくなると、カソード圧及びアノード圧が高くなり、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加するように、高くなる関係となっている。なお、カソード圧が高くなると、前記したように、エゼクタ１に入力されるパイロット圧が高くなり、エゼクタ１の二次側圧力であるアノード圧が高くなる設計となっている。
また、目標回転速度Ｒ０、目標回転速度Ｒ１、目標回転速度Ｒ２、目標回転速度Ｒ３の順で、徐々に高くなる関係となっている。
【００９０】
なお、このような背圧弁１３２の目標開度θ０、θ１、目標回転速度Ｒ０〜Ｒ３は、目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３となるように、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ１６０に予め記憶されている。また、目標開度θ１、目標回転速度Ｒ１〜Ｒ３は、増圧開始から同一時間（Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３）の経過後に、アノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ０〜Ｐ３に、カソード圧が目標カソード圧Ｐ０〜Ｐ３となるように、設定されている（図８参照）。
【００９１】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１００の動作について、図７を参照して説明する。
初期状態において、燃料電池スタック１１０の発電状態は通常であり、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）に基づいて、目標アノード圧Ｐ０、目標カソード圧Ｐ０、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０、背圧弁１３２の目標開度θ０を算出し、算出された目標回転速度Ｒ０、目標開度θ０に従って、コンプレッサ１３１及び背圧弁１３２を制御している。
【００９２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１６０は、セル電圧モニタ１１５から入力される平均セル電圧及び／又は最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であるか否か判定する。
燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池スタック１１０の発電状態は不調でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１４に進む。
【００９３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１６０は、温度センサ１２９から入力されるシステム温度Ｔ１１と所定システム温度Ｔ１とに基づいて、低温であるか否か判定する。
システム温度Ｔ１１は所定システム温度Ｔ１以下であり、低温であると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理は、ステップＳ１０６に進む。一方、システム温度Ｔ１１は所定システム温度Ｔ１以下でなく、低温でないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理は、ステップＳ１０３に進む。
【００９４】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ１、目標カソード圧Ｐ１、背圧弁１３２の目標開度θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ１を算出する。
【００９５】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０３で算出した目標開度θ１、目標回転速度Ｒ１に従って、背圧弁１３２、コンプレッサ１３１を制御する。すなわち、通常制御時に対して、コンプレッサ１３１の回転速度を増加し、背圧弁１３２の開度を大きくする。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加し、カソード流路１１３や、ＭＥＡのカソード側表面に付着する水分等が、速やかにカソード流路１１３から排出される。その結果、カソードにおける電極反応は良好に進み、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復方向に向かう。
【００９６】
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧が高くなる。このようにパイロット圧が高くなると、ノズル１１が前進し、ノズル１１の噴射口１２が大きくなり（図３参照）、ノズル１１から噴射される水素の流量が増加し、アノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ１に向かって上昇し始める。
なお、アノード圧Ｐ１１を上昇させる場合、インジェクタ１２３を閉状態で維持することが好ましい。インジェクタ１２３については、後記するステップＳ１０７、Ｓ１１１においても同様である。
【００９７】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ１６０は、圧力センサ１２８から入力される現在のアノード圧Ｐ１１が、ステップＳ１０３で設定した目標アノード圧Ｐ１以上であるか否か判定する。
現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ１以上であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ１以上でないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０５の判定を繰り返す。
【００９８】
次に、ステップＳ１０２の判定結果がＹｅｓの場合に進むステップＳ１０６を説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１６０は、直近における燃料電池スタック１１０の発電が、短時間発電であるか否か判定する。なお、前記したように、直近における発電継続時間Δｔ２１が所定発電継続時間Δｔ０以下である場合、短時間発電であると判定される。
【００９９】
そして、短時間発電であると判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１０に進む。一方、短時間発電でないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０７に進む。
【０１００】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ２、目標カソード圧Ｐ２、背圧弁１３２の目標開度θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ２を算出する。
【０１０１】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０７で算出した目標開度θ１、目標回転速度Ｒ２に従って、背圧弁１３２、コンプレッサ１３１を制御する。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加し、カソード流路１１３の水分等が、速やかにカソード流路１１３から排出され、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復方向に向かう。
この場合において、カソード圧及び空気流量は、ステップＳ１０４におけるカソード圧等よりも高くなるので、カソード流路１１３に滞留する水分は、ステップ１０４よりも確実に排出される。
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧も高くなり、ノズル１１が前進して噴射口１２が大きくなり（図３参照）、ステップＳ１０３よりも高い目標アノード圧Ｐ２に向かって上昇し始める。
【０１０２】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ１６０は、現在のアノード圧Ｐ１１が、ステップＳ１０７で設定した目標アノード圧Ｐ２以上であるか否か判定する。
現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ２以上であると判定した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ２以上でないと判定した場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１０９の判定を繰り返す
【０１０３】
次に、ステップＳ１０６の判定結果がＹｅｓの場合に進むステップＳ１１０を説明する。
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ３、目標カソード圧Ｐ３、背圧弁１３２の目標開度θ１、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ３を算出する。
【０１０４】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１１０で算出した目標開度θ１、目標回転速度Ｒ３に従って、背圧弁１３２、コンプレッサ１３１を制御する。
そうすると、カソード圧が高くなると共に、カソード流路１１３を通流する空気の流量が増加し、カソード流路１１３の水分等が、速やかにカソード流路１１３から排出され、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復方向に向かう。
この場合において、カソード圧及び空気流量は、ステップＳ１０８におけるカソード圧等よりも高くなるので、カソード流路１１３に滞留する水分は、ステップ１０８よりも確実に排出される。
また、カソード圧が高くなると、エゼクタ１に入力されるパイロット圧も高くなり、ノズル１１が前進して噴射口１２が大きくなり（図３参照）、アノード圧Ｐ１１がステップＳ１０７よりも高い目標アノード圧Ｐ３に向かって上昇し始める。
【０１０５】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ１６０は、現在のアノード圧Ｐ１１が、ステップＳ１１０で設定した目標アノード圧Ｐ３以上であるか否か判定する。
現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ３以上であると判定した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在のアノード圧Ｐ１１は目標アノード圧Ｐ３以上でないと判定した場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０は、ステップＳ１１２の判定を繰り返す
【０１０６】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ１６０は、パージ弁１２５を、所定の開弁時間にて開く。そうすると、アノード流路１１２、気液分離器１２４、配管１２４ａ、１２４ｂ等に滞留する水分（水蒸気、結露水）は、開かれたパージ弁１２５を通って、希釈器１３３（外部）に排出され、燃料電池スタック１１０の発電状態は回復する。
【０１０７】
この場合において、アノード流路１１２等に滞留する水分の量が多くなると予測されるほど、つまり、（１）発電状態が不調である場合、（２）不調であって低温である場合、（３）不調であって低温であり、短時間発電である場合、となるほど、アノード圧Ｐ１１は、目標アノード圧Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３）に高められているので、アノード流路１１２等に滞留する水分を確実に排出できる。
なお、アノード圧Ｐ１１が高くなると、パージ弁１２５が開いた場合における単位時間当たりのパージ流量（Ｌ／ｓ）及びパージ流速が大きくなるので（図８参照）、アノード圧を高めない場合に対して（図８の比較例１参照）、パージ弁１２５の開時間を短くすることもできる（図８の実施例１〜３参照）。
【０１０８】
ステップＳ１１４において、ＥＣＵ１６０は、アクセル開度（発電要求量）と、図４〜図６のマップとに基づいて、目標アノード圧Ｐ０、目標カソード圧Ｐ０、背圧弁１３２の目標開度θ０、コンプレッサ１３１の目標回転速度Ｒ０を算出し、これに従って、コンプレッサ１３１、背圧弁１３２を通常に制御する。これにより、カソード圧、アノード圧及び空気流量は通常となる。
その後、ＥＣＵ１６０の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
【０１０９】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１００から得られる効果について、図８を参照して説明する。なお、図８は、説明を簡単にするため、アクセル開度（発電要求量）が一定である場合を例示している。
燃料電池スタック１１０の発電状態が不調あり、これを回復させるべくパージ弁１２５を開き、パージを実行すべき場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、低温であるか否か（Ｓ１０２）、短時間発電であるか否かを判定し（Ｓ１０６）、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３を設定し、現在のアノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達した後（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０９・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、パージ弁１２５を開くので（Ｓ１１３）、アノード流路１１２、気液分離器１２４、配管１２４ａ等に滞留する水分を適切に排出し、燃料電池スタック１１０の発電状態を速やかに回復できる。
【０１１０】
また、このようにアノード圧Ｐ１１が目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に高まっているので、パージ弁１２５を開いた場合におけるパージ流速等が大きくなり、これにより、アノード圧を高めない比較例１に対して、パージ弁１２５の開時間を短くできる（実施例１〜３参照）。
【０１１１】
さらに、アノード圧Ｐ１１を増加させる場合、カソード流路１１３を通流する空気の流量も増加させるので、カソード流路１１３に滞留する水分も速やかに排出できる。さらに、アノード圧を増加させるためにカソード圧を増加させる場合、空気流量、つまり、コンプレッサ１３１の吐出量も増加させるので、コンプレッサ１３１における仕事率を維持したまま、カソード圧を速やかに増加できる。なぜなら、コンプレッサ１３１の回転速度の増加による消費電力の増加は微小であるから、吐出流量を増加させつつ、吐出圧を増加させる方が、コンプレッサ１３１の仕事率を維持しやすいからである。
【０１１２】
さらにまた、このような燃料電池システム１００は、アノード圧Ｐ１１を制御するためのソレノイド等の電磁駆動装置を備えず、空圧駆動型のエゼクタ１を備えるものであるから、システムを容易に構成できる。また、機械的なエゼクタ１であるから、アノード圧Ｐ１１を制御するに際して、エゼクタ１で電力消費されることもなく、燃料電池車の走行距離が長くなる。
【０１１３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更できる。
前記した実施形態では、圧力センサ１２８の検出する現在のアノード圧Ｐ１１が、設定した目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達した後（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０９・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、パージ弁１２５を開く構成としたが（Ｓ１１３）、次のようにしてもよい。
すなわち、カソード圧及びアノード圧Ｐ１１の増圧開始からの時間Δｔ１１が、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達したと判断される第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３以上となった場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ、Ｓ１０９・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、パージ弁１２５を開く構成としてもよい（Ｓ１１３）。
【０１１４】
この場合において、第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３は、増圧開始時おいて最も低くなると予想される例えばアイドリング時のアノード圧Ｐ１１を基準として、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３に到達するまでに要する時間を設定すればよい。
また、前記した実施形態における目標回転速度Ｒ１〜Ｒ３、目標開度θ１に設定すれば、第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３は同一の時間となるが（図８参照）、例えば、コンプレッサ１３１の回転速度は増加させず、目標回転速度Ｒ０で維持した場合、目標アノード圧Ｐ１〜Ｐ３、目標カソード圧Ｐ１〜Ｐ３になるにつれて時間を要することになるから、第１時間Δｔ１、第２時間Δｔ２、第３時間Δｔ３の順で長くなる（Δｔ１＜Δｔ２＜Δｔ３）。
【０１１５】
前記した実施形態では、図２、図３に示すように、ニードル２１が内部に通路２５を有し、水素タンク１２１からの水素が、一旦、通路を通流した後、連通孔２８を通って、ノズル１１内に流出する構成としたが、その他に例えば、軸受２６を肉厚で形成すると共に、その周壁内に軸方向で連通孔を形成し、水素タンク１２１からの水素が、軸受２６の前記連通孔を通って、ノズル１１内に流出する構成としてもよい。この場合において、前記連通孔は、軸受２６の周壁内に周方向で複数（例えば６０°間隔）形成することが好ましい。
【０１１６】
前記した実施形態では、図２、図３に示すように、固定状態のニードル２１に対して、ノズル１１がパイロット圧に基づいて変位することで、二次側圧力（アノード圧）が制御される構成を例示したが、その他に例えば、固定状態のノズルに対して、ニードルがパイロット圧に基づいて変位することで、ノズルの噴射口が可変し、二次側圧力が制御される構成でもよい。
【０１１７】
前記した実施形態では、パージ弁１２５を開き、水分を排出する構成としたが、その他に例えば、パージ弁１２５に加えて、又は代えて、掃気ガス排出弁１２６やドレン弁１２７を開く構成としてもよい。
【０１１８】
前記した実施形態では、セル電圧モニタ１１５から入力される平均セル電圧及び／又は最低セル電圧に基づいて、ＥＣＵ１６０は燃料電池スタック１１０の発電状態が不調であるか否か判定するとしたが、次のようにしてもよい。
燃料電池スタック１１０の出力（電流値、電圧値）を制御する電力制御装置への指令電流値及び指令電圧値と、電流センサ（発電状態検出手段）が検出する実際の電流値、電圧センサ（発電状態検出手段）が検出する実際の電圧値との差が、所定値以上である場合、不調であると判断する構成としてもよい。
また、現在のアノード圧、カソード圧、空気流量から得られるべき燃料電池スタック１１０のＩＶ（電流−電圧）曲線と、実際のＩＶ曲線とが、所定差以上である場合、不調であると判断する構成としてもよい。
【０１１９】
前記した実施形態では、燃料電池システム１００が四輪や二輪の燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、定置型の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１２０】
１ エゼクタ
１１ ノズル（圧力制御機構）
１２ 噴射口
２１ ニードル（圧力制御機構）
１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１１５ セル電圧モニタ（発電状態検出手段）
１２１ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
１２１ａ、１２２ａ、１２２ｂ 配管（燃料ガス供給流路）
１２３ａ 配管（パイロット圧入力流路）
１２４ａ、１２４ｂ 配管（燃料オフガス流路）
１２５ パージ弁（排出弁）
１２６ 掃気ガス（排出弁）
１２７ ドレン弁（排出弁）
１２８ 圧力センサ
１２９、１５２ 温度センサ
１３１ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、圧力制御手段、流量制御手段）
１３１ａ 配管（酸化剤ガス供給流路）
１３２ 背圧弁（圧力制御手段、流量制御手段）
１６０ ＥＣＵ（制御手段、発電継続時間判定手段）
Ｐ０ 目標アノード圧（通常圧力）
Ｐ１ 目標アノード圧（第１圧力）
Ｐ２ 目標アノード圧（第２圧力）
Ｐ３ 目標アノード圧（第３圧力）
Ｐ１１ 現在のアノード圧
Ｔ１１ システム温度
Ｔ１２ 外気温度（燃料電池システムの周囲温度）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記燃料ガス流路の入口とを接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタと、
前記燃料ガス流路の出口と前記エゼクタとを接続する燃料オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路に接続され、開くことで、前記燃料オフガス流路のガスを外部に排出する排出弁と、
酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段と前記酸化剤ガス流路の入口とを接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、酸化剤ガスの圧力を前記エゼクタにパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、
前記排出弁及び前記圧力制御手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタは、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルと、前記ノズルの軸線上に配置されたニードルと、前記ノズルから噴射された燃料ガスと前記燃料オフガス流路からの燃料オフガスとを混合するディフューザと、を備え、前記パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると前記ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、
前記制御手段は、前記発電状態検出手段の検出する前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力及びパイロット圧を高めた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、前記酸化剤ガス流路に滞留する水分が排出されるように、前記流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力センサの検出する圧力が、発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達した後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力が発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する第１時間の経過後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
システム温度又はシステムの周囲温度を検出する温度センサを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の発電開始から発電停止までの発電継続時間が、所定時間以下であるか否か判定する発電継続時間判定手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定し、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、前記発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段と前記燃料ガス流路の入口とを接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタと、
前記燃料ガス流路の出口と前記エゼクタとを接続する燃料オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路に接続され、開くことで、前記燃料オフガス流路のガスを外部に排出する排出弁と、
酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段と前記酸化剤ガス流路の入口とを接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、酸化剤ガスの圧力を前記エゼクタにパイロット圧として入力するパイロット圧入力流路と、
前記排出弁及び前記圧力制御手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記エゼクタは、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルと、前記ノズルの軸線上に配置されたニードルと、前記ノズルから噴射された燃料ガスと前記燃料オフガス流路からの燃料オフガスとを混合するディフューザと、を備え、前記パイロット圧入力流路から入力されるパイロット圧が高くなると前記ノズルの噴射口が大きくなり、二次側圧力が高くなる圧力制御機構を有し、
前記制御手段は、前記発電状態検出手段の検出する前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力及びパイロット圧を高めた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力制御手段によって酸化剤ガスの圧力を高める場合、前記酸化剤ガス流路に滞留する水分が排出されるように、前記流量制御手段によって酸化剤ガスの流量も増加させる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力センサの検出する圧力が、発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達した後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合、前記圧力制御手段による酸化剤ガスの圧力の増圧開始から、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力が発電要求量に基づいて算出される通常圧力よりも高い第１圧力に到達するまでに要する第１時間の経過後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
システム温度又はシステムの周囲温度を検出する温度センサを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定した場合において、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第１圧力よりも高い第２圧力に到達させた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の発電開始から発電停止までの発電継続時間が、所定時間以下であるか否か判定する発電継続時間判定手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電状態が不調であると判定し、前記温度センサの検出する温度が所定温度以下であると判定した場合において、前記発電継続時間判定手段が発電継続時間は所定時間以下であると判定したとき、前記エゼクタの下流におけるガスの圧力を、前記第２圧力よりも高い第３圧力に到達させた後、前記排出弁を開く
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２７２４３９（Ｐ２０１０−２７２４３９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２４９５２（Ｐ２００９−１２４９５２）
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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