燃料電池システム
【課題】希釈デバイスを小型化または不要にでき、しかも燃料電池の発電性能を向上できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料循環系からアノードオフガスを排出する燃料排出系において、燃料排出手段としてのインジェクタ２７、このインジェクタ２７の上流側に排出弁２５、インジェクタ２７と排出弁２５との間にバッファタンク２６を備える。ＥＣＵ５０によって、排出弁２５が開弁することにより、バッファタンク２６にアノードオフガスが導入され、インジェクタ２７が作動することにより、インジェクタ２７から従来の排出弁での水素排出制御よりも少量かつ排出タイミングよくアノードオフガスを排出できる。
【解決手段】燃料循環系からアノードオフガスを排出する燃料排出系において、燃料排出手段としてのインジェクタ２７、このインジェクタ２７の上流側に排出弁２５、インジェクタ２７と排出弁２５との間にバッファタンク２６を備える。ＥＣＵ５０によって、排出弁２５が開弁することにより、バッファタンク２６にアノードオフガスが導入され、インジェクタ２７が作動することにより、インジェクタ２７から従来の排出弁での水素排出制御よりも少量かつ排出タイミングよくアノードオフガスを排出できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料オフガス排出機構を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、例えば、燃料電池のアノードに水素が供給され、カソードに空気（酸素）が供給されることにより発電が行われる。発電時には、カソードで生成された水や空気に含まれる窒素などの不純物が電解質膜を介してアノードに透過する。不純物を含むアノードオフガスを外部に排出する際に高濃度の水素が外部に排出されないように希釈デバイスを設けて希釈する必要がある。例えば、特許文献１には、燃料電池のアノード側から排出される水素をカソード側から排出されるカソードオフガス（エア）で混合して希釈する希釈デバイスが記載されている。また、特許文献２には、アノード側から排出される水素を空気と触媒反応させて希釈する希釈デバイスが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１８３号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の発明では、希釈デバイスに排出される水素は希釈デバイスの上流側に設けられる排出弁を開弁することによって排出されるが、排出弁の応答性（大雑把な制御しかできないこと）によって排出水素量を細かく制御することが困難であるという問題があった。よって、アノード側の不純物を少量で排出することができず、燃料電池から排出されるオフガス中の水素濃度を目標以下の水素濃度に抑えつつ、燃料電池の発電性能を向上させることが困難であり、特許文献１および特許文献２のように、大型の希釈デバイスが必要となってしまっていた。
したがって、想定以上の水素が排出された場合に備えて、システム内に大型の希釈デバイスを配置するための空間を確保する必要があり、例えば、車両に搭載した際にレイアウトの自由度が損なわれるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、希釈デバイスを小型化または不要にでき、しかも燃料電池の発電性能を向上できる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】
【０００６】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に戻す燃料循環系と、前記燃料循環系から燃料オフガスを排出する燃料排出系と、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料排出系に設けられ、インジェクタおよびポンプの少なくともひとつを含む燃料排出手段と、前記燃料排出手段から排出された燃料オフガスを希釈する希釈手段と、前記燃料排出手段を制御して当該燃料排出手段から排出された燃料オフガスを所定燃料ガス濃度を下回るように希釈してシステム外部に排出する希釈制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、燃料排出手段としてインジェクタおよび／またはポンプを燃料排出系に設けることにより、従来のような遮断弁（排出弁）の開閉制御よりも燃料オフガスの排出量をより細かく制御できるようになる。なお、より細かく制御できるとは、従来のような排出弁による燃料ガスの排出量よりも少量で、かつ、排出タイミングを高精度に制御できることを意味する。その結果、燃料ガスの希釈スペースを大型化する必要がなくなるので、希釈スペースの効率化（小型化）が可能になる。しかも、燃料オフガスを少量、かつ、排出タイミングよく排出でき、燃料循環系内の不純物を燃料排出手段を介して外部に迅速に排出できるので、燃料循環系に不純物が蓄積するのを抑制でき、燃料電池の発電性能の向上が可能になる。
【０００８】
また、前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に燃料オフガスを排出する排出弁を備え、前記制御手段は、前記排出弁および前記燃料排出手段を制御して希釈制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、排出弁を燃料排出手段の上流側に設けることで、燃料電池側の圧力が燃料排出手段に直接作用するのを抑えることができ、耐圧性能を抑えた燃料排出手段（インジェクタ、ポンプ）を用いることができる。その結果、燃料電池システム構築の際のコストを抑えることができる。
【００１０】
また、排出弁と燃料排出手段の双方で燃料オフガスの排出量を制御できるため、よりきめ細やかに燃料オフガスを希釈することが可能になる。
【００１１】
また、前記制御手段は、前記排出弁が開状態である場合、前記燃料排出手段の動作を制限することを特徴とする。
【００１２】
ところで、排出弁が開状態である場合には、燃料排出手段の上流側の圧力が一時的に高まるため、燃料排出手段からの排出量の制御が難しくなる。したがって、排出弁が開状態である場合に燃料排出手段の動作を制限することで、燃料排出手段からの燃料オフガスの排出量を適切に制御することが可能になる。なお、燃料排出手段の動作を制限するとは、燃料オフガスの排出量を低減することに限定されず、燃料排出手段の動作を停止させて燃料オフガスの排出量をゼロにすることも含む。
【００１３】
また、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、前記制御手段は、前記圧力に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする。
【００１４】
これによれば、燃料排出手段からの燃料オフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【００１５】
また、前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、前記制御手段は、前記圧力検知手段の圧力に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする。
【００１６】
これによれば、燃料排出手段がインジェクタの場合、想定圧力（事前の実験等により得られたマップ等で記憶されたもの）と圧力検知手段の検出値とを比較することにより、インジェクタの故障または排出弁の故障を判定できる。このように、燃料排出手段（インジェクタ、ポンプ）および排出弁が正常に機能しているか否かを判定することができるので、高濃度の燃料ガスが外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【００１７】
また、前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの流量を検知する第１流量検知手段を備え、前記制御手段は、前記第１流量検知手段の流量に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする。
【００１８】
これによれば、燃料排出手段がインジェクタの場合、想定流量（事前の実験等により得られたマップ等で記憶されたもの）と第１流量検知手段の検出値とを比較することにより、インジェクタの故障または排出弁の故障を判定できる。このように、燃料排出手段（インジェクタ、ポンプ）および排出弁が正常に機能しているか否かを判定することができるので、高濃度の燃料ガスが外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【００１９】
また、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの温度を検知する温度検知手段を備え、前記制御手段は、前記温度に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする。
【００２０】
これによれば、燃料排出手段からの燃料オフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【００２１】
また、前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスを貯留するバッファタンクを備えることを特徴とする。
【００２２】
これによれば、バッファタンクに燃料オフガスを溜めた状態で制御手段が燃料排出手段を作動させることで、燃料排出手段からの吐出量を安定して制御できる。
【００２３】
また、前記希釈手段に導入される酸化剤ガスおよび／または酸化剤オフガスの流量を検出する第２流量センサを備え、前記制御手段は、前記第２流量センサの検出値に基づいて前記インジェクタを制御することを特徴とする。
【００２４】
これによれば、希釈手段に導入される希釈ガス（酸化剤ガスおよび／または酸化剤オフガス）の流量を適切に把握することで、希釈ガスの流量に応じて燃料オフガスの排出を促進することができる。つまり、希釈ガスの流量が少ないときに燃料オフガスの排出を停止させる必要がなくなるので、発電性能のよい燃料電池システムを構築できる。
【００２５】
また、前記制御手段は、１周期時間当たりの開時間である開弁率に基づいて前記燃料排出手段を制御することを特徴とする。
【００２６】
これによれば、１周期時間として、例えば、開弁率が１００％の状態において希釈手段に導入される希釈ガスの流量が最大変化幅で減少した場合であっても所定燃料ガス濃度を超えない時間に予め設定しておくことで、希釈ガスの流量が急減した場合であっても、希釈手段から排出される燃料ガスが所定燃料ガス濃度を超えないようにできる。一方、希釈ガスの流量が多い場合であっても、複数周期連続して燃料排出手段を高い開弁率で動作させることで、燃料ガスの希釈処理を効果的に行うことが可能になる。
【００２７】
また、車両に搭載されることを特徴とする。
【００２８】
これによれば、前記したように発電性能を向上させることができるため、走行性能の高い車両を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、希釈デバイスを小型化または不要にでき、しかも燃料電池の発電性能を向上できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】排出弁の制御を示すフローチャートである。
【図３】インジェクタの制御を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）はカソードオフガス流量と目標排出水素量との関係を示すマップ、（ｂ）は目標排出水素量とインジェクタの動作量との関係を示すマップである。
【図５】インジェクタの動作指令に応じた水素濃度の変化を示すタイムチャートである。
【図６】インジェクタと排出弁の故障検知を示すフローチャートである。
【図７】インジェクタと排出弁の動作パターンおよび故障時の圧力変化を示すタイムチャートである。
【図８】インジェクタと排出弁の故障検知を示す他のフローチャートである。
【図９】インジェクタと排出弁の他の動作パターンと故障時の圧力変化を示すタイムチャートである。
【図１０】（ａ）はインジェクタの場合の開指令と水素濃度の変化を示すタイムチャート、（ｂ）は従来のバルブの場合の開指令と水素濃度の変化を示すタイムチャートである。
【図１１】（ａ）はカソードオフガス流量が急減した場合のインジェクタ制御、（ｂ）はカソードオフガス流量が多い場合のインジェクタ制御である。
【図１２】第２実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図１３】第３実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図１４】第４実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図１５】インジェクタと排出弁の故障検知を示すさらに他のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａないし１Ｄについて図１ないし図１５を参照して説明する。なお、以下では、燃料電池システム１Ａないし１Ｄを燃料電池自動車に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶用や航空機用などとして適用してもよく、または家庭用や業務用などの定置式のものとして適用してもよく、電気を必要とするあらゆるものに適用できる。
【００３２】
（第１実施形態）
図１に示すように、燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０などを含んで構成されている。
【００３３】
燃料電池１０は、例えば、複数の固体高分子型の単セル（不図示）が積層されることで構成された燃料電池スタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）、このＭＥＡを挟む導電性を有するアノードセパレータ（不図示）及びカソードセパレータ（不図示）などを備えている。
【００３４】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）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とを備えている。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から主に構成されると共に、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）を含んでいる。
【００３５】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝などで形成されたアノード流路１１が形成されている。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝などで形成されたカソード流路１２が形成されている。
【００３６】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されるとともに、カソード流路１２を介して各カソードに空気（酸素）が供給されると、各単セルで電位差（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１０と走行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１０が発電するようになっている。なお、燃料電池１０の発電時には、不純物（生成水、窒素など）が電解質膜を介してカソードからアノードに透過する。
【００３７】
アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、減圧弁２３、エゼクタ２４、排出弁２５、バッファタンク２６、インジェクタ２７（燃料排出手段）、配管ａ１〜ａ９を含んで構成されている。なお、本実施形態では、水素タンク２１、配管ａ１、遮断弁２２、配管ａ２、減圧弁２３、配管ａ３，ａ４が燃料供給系に相当する。また、本実施形態では、配管ａ５およびエゼクタ２４が燃料循環系に相当する。また、本実施形態では、配管ａ６、排出弁２５、配管ａ７、バッファタンク２６、配管ａ８、インジェクタ２７および配管ａ９が燃料排出系に相当する。
【００３８】
水素タンク２１は、燃料としての高純度の水素が高圧で充填された容器である。遮断弁２２は、非通電時に弁体が閉じる常閉式のソレノイドバルブで構成される。減圧弁２３は、水素タンク２１からの１次圧を、この１次圧よりも低い２次圧に減圧する機能を有する。なお、燃料供給系における減圧手段としては、減圧弁２３のみに限定されるものではなく、減圧弁を２つ以上設けて、２段階以上で減圧するものであってもよい。
【００３９】
エゼクタ２４は、燃料電池１０のアノード流路１１から排出された未反応の水素を、配管ａ５を介して燃料電池１０のアノード流路１１に戻す真空ポンプの一種である。すなわち、エゼクタ２４は、水素タンク２１からの流れによって生じる負圧によって配管ａ５から戻るアノードオフガス（燃料オフガス）を吸引することで、燃料電池１０の上流側に再び供給するように構成されている。
【００４０】
排出弁２５は、非通電時に弁体が閉じる常閉式の電磁弁で構成され、ＥＣＵ５０の制御によって開弁されることにより、燃料電池１０の発電時に水素循環流路（アノード流路１１、配管ａ５，ａ４）を循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出するようになっている。なお、排出弁２５を開弁して不純物を排出するタイミングとしては、例えば、燃料電池１０の単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（不図示）から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となったときである。または、排出弁２５を開弁して不純物を排出するタイミングとしては、所定時間経過後に定期的に開弁する構成であってもよい。
【００４１】
バッファタンク２６は、水素循環流路から排出弁２５を介して排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を一時的に溜めておくことができる貯留空間を備えている。なお、貯留空間の容積は、燃料電池１０の発電性能が損なわれる前に水素循環系からアノードオフガスを排出できるように設定されている。
【００４２】
インジェクタ２７は、例えば、電子制御式のものであって、ＥＣＵ５０のＰＷＭ制御によって噴射信号が出力されることで、アノードオフガスが希釈器３４に向けて噴射（吐出）される。この噴射信号は噴射量に応じたパルス幅を有するパルス信号（オン時間）であり、このパルス幅に相当する時間だけ開弁されてアノードオフガスを噴射するようになっている。すなわち、１周期におけるオン時間とオフ時間の比を調整することにより吐出量を増減できる。
【００４３】
このようなインジェクタ２７を用いてアノードオフガスを排出することにより、インジェクタ２７からの排出量（吐出量）を、従来のような排出弁（排出弁２５に相当するもの）を開弁したときに排出される排出量よりも少量に設定でき、しかもインジェクタ２７の排出タイミングを高精度に制御できる。
【００４４】
カソード系３０は、コンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３、希釈器３４、配管ｃ１〜ｃ７を含んで構成されている。なお、希釈器３４の下流に接続された配管ｃ７は、消音器などを介して車外（外部、大気）と連通するように構成されている。
【００４５】
コンプレッサ３１は、モータ（不図示）で駆動されるスーパーチャージャなどで構成されている。ＥＣＵ５０によってコンプレッサ３１が駆動されると、車外から取り込まれた空気がカソード流路１２に向けて供給される。コンプレッサ３１のモータの回転速度は、例えば、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するように、高められる設定となっている。
【００４６】
加湿器３２は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、中空糸膜を介して、燃料電池１０に供給される空気と、カソード流路１２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れて、燃料電池１０に供給される空気が加湿されるように構成されている。
【００４７】
背圧弁３３は、バタフライ弁などで構成された開度調整可能な常開型（非通電時に弁体の開度が最大）の弁で構成され、例えば、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、ＥＣＵ５０によって、空気を高圧で供給するために、開度が小さくなる（絞る）ように制御される。
【００４８】
希釈器（希釈手段、希釈デバイス）３４は、カソードオフガス（酸化剤オフガス）を導入する配管ｃ５、燃料電池１０の上流側の乾燥したカソードガス（空気、酸化剤ガス）を導入する配管ｃ６、アノードオフガスが導入される配管ａ９がそれぞれ接続されている。希釈器３４に導入されたアノードオフガスに含まれる水素は、カソードオフガスとカソードガスによって希釈された後に配管ｃ７を介して車外に排出される。なお、例えば、配管ｃ６にはオリフィスが設けられ、燃料電池１０のカソードへのカソードガスの供給が損なわれないように設定されている。
【００４９】
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、コンプレッサ３１のモータ（不図示）の回転速度、遮断弁２２、排出弁２５の開閉、インジェクタ２７からの排出量（パルス幅）、背圧弁３３の開度を、それぞれ制御する。
【００５０】
また、ＥＣＵ５０は、排出弁２５とインジェクタ２７との間の配管ａ８のアノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ５１の検出値、配管ａ８のアノードオフガスの温度を検出する温度センサ５２の検出値、配管ｃ１に通流するカソードオフガスの流量を検出する流量センサ５３の検出値をそれぞれ取得する。なお、温度センサ５２の位置は、配管ａ８の位置に限定されず、配管ａ４，ａ５，ａ６，ａ７のいずれであってもよい。
【００５１】
圧力センサ５１の検出値は、排出弁２５を開弁してパージ可能であるかどうかを判断するためのものである。ＥＣＵ５０は、例えばアクセル開度と圧力とが関係付けられた運転状態のマップに基づいて排出弁２５を開弁してよいか（パージしてよいか）否かを判定する。すなわち、ＥＣＵ５０は、運転状態のマップに基づいて、圧力センサ５１の検出値が、所定圧力（パージ可能圧力）以下と判定した場合には、排出弁２５を開弁しないように制御する。つまり、検出値が高過ぎる場合には、排出弁２５を開弁したとしても排出弁２５の上流と下流との差圧が得られないので、排出弁２５を開弁しない。
【００５２】
また、圧力センサ５１の検出値は、インジェクタ２７から吐出されるアノードオフガスの吐出量を補正するためのものである。ＥＣＵ５０は、検出値（圧力）が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように、検出値が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように補正する（図４（ｂ）参照）。
【００５３】
また、圧力センサ５１の検出値は、排出弁２５およびインジェクタ２７の故障検知に利用される。なお、その故障検知については後記する。
【００５４】
温度センサ５２の検出値は、インジェクタ２７の動作量を補正するためのものである。ＥＣＵ５０は、検出値（温度）が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように、検出値が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように補正する（図４（ｂ）参照）。つまり、検出値が高い場合には、アノードオフガスに含まれる水分の割合が増加してアノードオフガスの水素濃度が低下するので、インジェクタ２７の動作量を増加させる方向に補正され、検出値が低い場合には、アノードオフガスに含まれる水分の割合が減少してアノードオフガスの水素濃度が高まるので、インジェクタ２７の動作量を減少させる方向に補正される。
【００５５】
流量センサ５３の検出値は、希釈器３４に導入されるカソードオフガス（酸化剤オフガス）の流量を検出するためのものである。ＥＣＵ５０は、流量センサ５３によって検出されたカソードオフガス流量に基づいて希釈器３４に導入される目標排出水素量を算出する（図４（ａ）参照）。なお、流量センサ５３の位置は、本実施形態のように燃料電池１０の下流側に限定されるものではなく、例えば、コンプレッサ３１と加湿器３２との間の配管ｃ１に設けて、カソードオフガス流量を算出してもよい。
【００５６】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について図２ないし図５を参照して説明する。図２は排出弁の制御を示すフローチャート、図３はインジェクタの制御を示すフローチャート、図４（ａ）はカソードオフガス流量と目標排出水素量との関係を示すマップ、（ｂ）は目標排出水素量とインジェクタの動作量との関係を示すマップ、図５はインジェクタの動作指令に応じた水素濃度の変化を示すタイムチャートである。
【００５７】
まず、燃料電池システム１Ａの運転が開始（例えば、イグニッションスイッチがオン）されると、ＥＣＵ５０は、図示しないバッテリの電力を利用して、遮断弁２２を開弁し、またコンプレッサ３１の駆動を開始する。これにより、水素タンク２１から放出された水素は、減圧弁２３で所定の圧力に減圧された後に、アノード流路１１に供給される。また、コンプレッサ３１から供給された空気（外気）は、加湿器３２で適度に加湿された後にカソード流路１２に供給され、配管ｃ６を介して希釈器３４に導入される。そして、ＥＣＵ５０は、燃料電池１０のＯＣＶが所定値（外部負荷への電力供給の開始を許可できる電圧）を超えたと判定した場合に外部負荷（走行モータなど）との接続を開始し、燃料電池１０の発電を開始する。
【００５８】
発電が開始されると、カソード流路１２に供給された空気に含まれる不純物としての窒素が電解質膜を介してアノード流路１１に透過する。また、カソードでは、発電によって水が生成され、この生成された水も電解質膜を介してアノード流路１１に透過する。このため、アノード流路１１を含む水素循環系に窒素や生成水の不純物が溜まることになるので、排出弁２５を開弁し、インジェクタ２７を作動させることにより、不純物を外部に排出する必要がある。
【００５９】
そこで、本実施形態では、排出弁２５とインジェクタ２７を以下のように制御したものである。図２に示すように、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、パージ要求があるか否かを判定する。パージ要求とは、排出弁２５を開弁して、アノードオフガスを水素循環系からバッファタンク２６に排出させる指令である。例えば、パージ要求を出力するタイミングは、前記したように、燃料電池１０の単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（不図示）から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となったとき、またはアノードオフガスを定期的に排出する場合には所定時間が経過したときである。ＥＣＵ５０は、パージ要求がないと判定した場合には（Ｓ１０１、Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理を繰り返し、パージ要求があると判定した場合には（Ｓ１０１、Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。
【００６０】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、排出弁２５とインジェクタ２７との間の圧力Ｐが前記したパージ可能圧力か否かを判定する。
【００６１】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐがパージ可能圧力ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０２の処理を繰り返し、圧力Ｐがパージ可能圧力であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。
【００６２】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、排出弁２５を所定時間開弁する。なお、所定時間は、水素循環系内の不純物を排出して、水素循環系内のガスを水素に置換できる時間に設定される。排出弁２５が所定時間開弁されることにより、水素循環系内のアノードオフガスがバッファタンク２６に一時的に貯留される。そして、ＥＣＵ５０は、所定時間経過後に排出弁２５を閉弁する。
【００６３】
一方、インジェクタ２７については、図３に示すように制御される。すなわち、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ５０は、流量センサ５３からカソードオフガス（以下、Ｃａオフガスと表記する）の流量を検出する。
【００６４】
そして、ステップＳ２０２に進み、ＥＣＵ５０は、図４（ａ）に示すマップに基づいて、ステップＳ２０１で検出されたＣａオフガスの流量から目標排出水素量を算出する。図４（ａ）は、Ｃａオフガス流量と目標排出水素量とが関係づけられたマップであり、Ｃａオフガスの流量が多くなるにつれて、目標排出水素量も増加するようになっている。つまり、Ｃａオフガスの流量が多いということは、アノードオフガスに含まれる水素を希釈する希釈ガスが多く存在するということであるので、排出可能なアノードオフガス量を増やすことができる。
【００６５】
そして、ステップＳ２０３に進み、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２０２で算出した目標排出水素量からインジェクタ２７の動作条件を算出する。動作条件としては、例えば、通常モードでは、目標排出水素量が多い場合、一周期におけるオン時間に対してオフ時間が短くなるように設定し、目標排出水素量が少ない場合には、一周期におけるオン時間に対してオフ時間が長くなるように設定する。また、目標排出水素量をさらに増量する場合には、通常モードよりも周期を短くしてオン時間とオフ時間との比を調整することで、少量かつ多周期で水素を排出することができる。
【００６６】
そして、ステップＳ２０４に進み、ＥＣＵ５０は、圧力センサ５１からアノードオフガス（Ａｎオフガス）の圧力Ｐと、温度センサ５２からＡｎオフガスの温度Ｔを取得し、これら圧力Ｐと温度ＴからステップＳ２０２において算出した目標排出水素量となるようにインジェクタ２７の動作量を図４（ｂ）に示すマップに基づいて補正する。なお、インジェクタ２７の動作量とは、例えば、開弁時間、動作周期を意味している。
【００６７】
図４（ｂ）に示すように、基準の目標排出水素量とインジェクタ２７の動作量の関係を示すマップに対して、バッファタンク２６内のＡｎオフガスの圧力が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように（例えば、開弁時間が短くなるように、または動作周期が長くなるように）補正し、Ａｎオフガスの圧力が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように（例えば、開弁時間が長くなるように、または動作周期が短くなるように）補正する。また、基準のマップに対して、バッファタンク２６内のＡｎオフガスの温度が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように補正し、Ａｎオフガスの温度が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように補正する。このように、温度と圧力に基づいてインジェクタ２７からの動作量を補正することにより、インジェクタ２７から排出される水素量を適切に設定することができ、上限希釈水素濃度を確実に下回るようにすることができる。
【００６８】
そして、ステップＳ２０５に進み、ＥＣＵ５０は、インジェクタ２７を制御して、目標排出水素量の水素を排出する。インジェクタ２７から排出されたアノードオフガス中の水素は、配管ａ９を介して希釈器３４に導入される。このとき希釈器３４では、配管ｃ５から排出されるカソードオフガス（希釈ガス）と配管ｃ６から排出されるカソードガス（希釈ガス）によってアノードオフガス中の水素が希釈された後、外部（車外）に排出される。
【００６９】
なお、インジェクタ２７の上流側は、バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスによって圧力が高くなっており、インジェクタ２７の下流側は、希釈器３４を介して燃料電池システム１Ａの外部（大気）と連通しているので圧力が上流側よりも低くなる。よって、インジェクタ２７の上流と下流との差圧によって、インジェクタ２７を作動させたときにインジェクタ２７からアノードオフガスを吐出（噴射）させることができる。
【００７０】
前記した燃料電池システム１Ａでは、水素排出系にインジェクタ２７を備えることにより、図５（ｂ）に示すように、目標排出水素量を従来よりも少量で、かつ、Ｃａオフガス流量に応じて排出タイミングを高精度に制御できることで、図５（ｄ）に示すように、水素濃度のピーク値を目標とする希釈後の水素濃度（上限希釈水素濃度）Ａよりも確実に下げることが可能になる。
【００７１】
また、図５（ａ）に示すように、従来のような排出弁での水素排出と比べて水素を少量かつ多周期で排出できるため、図５（ｃ）に示すように増量モードで水素を排出したとしても、上限希釈水素濃度Ａ未満の領域で効率よく水素を排出することができる。
【００７２】
なお、インジェクタ２７を作動させる期間は、バッファタンク２６内にアノードオフガスが導入されて、インジェクタ２７の上流側と下流側の差圧がアノードオフガスを噴射させるのに必要な圧力Ｐとなっているときである。よって、圧力センサ５１の検出値（圧力Ｐ）を監視することにより、インジェクタ２７を作動させる必要があるか否かを判定できる。これにより、インジェクタ２７を無駄に作動させるのを防止できる。
【００７３】
次に、排出弁２５とインジェクタ２７の故障検知について図６ないし図９を参照して説明する。図６は故障検知を示すフローチャート、図７は故障時の圧力変化を示すタイムチャート、図８は故障検知を示す別のフローチャート、図９は故障時の圧力変化を示すタイムチャートである。
【００７４】
図６に示すように、ステップＳ３０１において、ＥＣＵ５０は、排出弁２５が閉指令であるか否かを判定する。排出弁２５が閉指令であるか否かは、ＥＣＵ５０が排出弁２５に対して開指令を出力していないか否かで判定することができる。ＥＣＵ５０は、排出弁２５が閉指令であると判定した場合には（Ｓ３０１、Ｙｅｓ）、ステップＳ３０２に進む。
【００７５】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ５０は、圧力センサ５１によって検出される圧力Ｐが、想定圧力Ｐｓ１の上限値よりも高いか否かを判定する。想定圧力Ｐｓ１の上限値とは、水素排出時に排出弁２５とインジェクタ２７がともに正常に作動している場合において想定される圧力の上限値であり、予め実験等によって求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
【００７６】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の上限値よりも高いと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３に進み、「排出弁２５の開故障」または「インジェクタ２７の閉故障」であると判定する。
【００７７】
なお、排出弁２５の開故障とは、排出弁２５に対して開指令を出力していないにもかかわらず、排出弁２５が閉まらない不具合である。また、インジェクタ２７の閉故障とは、インジェクタ２７に対して開指令（パルス信号）を出力しているにもかかわらず、インジェクタ２７から水素を排出できない不具合である。
【００７８】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の上限値以下であると判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ３０４に進む。
【００７９】
ステップＳ３０４において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の下限値よりも低いか否かを判定する。ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の下限値以上であると判定した場合には（Ｓ３０４、Ｎｏ）、ステップＳ３０５に進み、排出弁２５とインジェクタ２７がともに正常に作動していると判定する。
【００８０】
また、ステップＳ３０４において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の下限値よりも低いと判定した場合（Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の開故障」と判定する。なお、インジェクタ２７の開故障とは、インジェクタ２７に対して開指令を出力しているが、指令通りの水素が排出されず水素が漏れている不具合である。
【００８１】
一方、ステップＳ３０１において、排出弁２５が閉指令ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、つまり、排出弁２５が開指令である場合には、ステップＳ３１０に進み、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の下限値より低いか否かを判定する。
【００８２】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の下限値より低いと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３１１に進み、「排出弁２５の閉故障」または「インジェクタ２７の開故障」であると判定する。
【００８３】
なお、排出弁２５の閉故障とは、排出弁２５に対して開指令を出力しているにもかかわらず、排出弁２５が開指令通りに開かない不具合である。なお、このときの閉故障とは、弁が全閉する場合だけではなく半開するといった不具合も含む。インジェクタ２７の開故障とは、インジェクタ２７に対して開指令を出力しているが、インジェクタ２７から指令通りの水素が排出されず水素が漏れている不具合である。
【００８４】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の下限値以上であると判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１２に進む。
【００８５】
ステップＳ３１２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の上限値よりも高いか否かを判定する。ステップＳ３１２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の上限値以下と判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１３に進み、排出弁２５とインジェクタ２７がともに正常に作動していると判定する。
【００８６】
また、ステップＳ３１２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の上限値よりも高いと判定した場合（Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の閉故障」と判定する。
【００８７】
図７において時刻ｔ０〜ｔ１に示すように、排出弁２５が閉指令である場合（Ｓ３０１、Ｙｅｓ）、圧力センサ５１によって想定圧力Ｐｓ１の上限値よりも高い圧力（符号Ｂ１参照）が検出されたときには（Ｓ３０２、Ｙｅｓ）、「排出弁２５の開故障」または「インジェクタ２７の閉故障」であると判定される（Ｓ３０３）。また、想定圧力Ｐｓ１の下限値よりも低い圧力（符号Ｂ２参照）が検出されたときには（Ｓ３０４、Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の開故障」であると判定される（Ｓ３０６）。
【００８８】
また、図７において時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、排出弁２５が開指令である場合（Ｓ３０１、Ｎｏ）、圧力センサ５１によって想定圧力Ｐｓ２の下限値よりも低い圧力（符号Ｃ２参照）が検出されたときには（Ｓ３１０、Ｙｅｓ）、「排出弁２５の閉故障」または「インジェクタ２７の開故障」であると判定する（Ｓ３１１）。また、想定圧力Ｐｓ２の上限値よりも高い圧力（符号Ｃ１参照）が検出されたときには（Ｓ３１２、Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の閉故障」であると判定される（Ｓ３１４）。
【００８９】
なお、図８および図９に示すように、ＥＣＵ５０は、排出弁２５が開指令であると判定した場合（Ｓ３０１、Ｎｏ）、インジェクタ２７に対して動作を停止させる指令を出力するように制御してもよい（Ｓ３０９、図９の時刻ｔ１〜ｔ２参照）。なお、その他の処理は、図６に示す処理と同様であり、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。
【００９０】
ところで、本実施形態としての図１０（ａ）、および、比較例（従来例）としての図１０（ｂ）に示すように、同量の水素を排出すると仮定する。そうした場合、図１０（ｂ）に示すように、燃料排出系にバルブを備えた従来の燃料電池システムでは、バルブの応答性の関係で数百ｍｓｅｃ〜数秒間、バルブを開にして水素を排出していた。このような場合に水素を排出すると、バルブを開弁したときに水素濃度が急上昇する。しかし、図１０（ａ）に示すように、燃料排出系にインジェクタ２７を備えた燃料電池システム１Ａでは、インジェクタ２７を数ｍｓｅｃで開閉することが可能になるため、図１０（ｂ）と同様に同じ水素量を排出した場合、インジェクタ２７での方が細かく弁を開閉できるので、水素濃度の上昇を低減できる。
【００９１】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、インジェクタ２７については、１周期時間当たりの開弁時間（開時間）である開弁率に基づいて制御する構成としてもよい。なお、１周期時間とは、予め実験やシミュレーションなどによって定められてＥＣＵ５０に記憶されるものであり、希釈デバイス（希釈器３４）の容量、および、燃料電池システム１Ａ上において起こり得る希釈ガス（カソードオフガスおよび／またはカソードガス）流量の急減（例えば、単位時間当たりの減少率が最大で変化すること）を考慮して設定される。すなわち、インジェクタ２７の開弁率が１００％で、かつ、希釈ガスの流量が急減したとしても、希釈器３４から排出される水素の濃度（排気の水素濃度）が上限希釈水素濃度Ａを超えないように１周期時間が設定される。
【００９２】
例えば、図１１（ａ）に示すように、インジェクタ２７に対して開弁と同時に希釈器３４に導入される希釈ガス（カソードオフガス）流量が急減した場合には、１周期時間の経過時にインジェクタ２７の開弁率を下げる。
【００９３】
一方、図１１（ｂ）に示すように、希釈ガス（カソードオフガス）流量が多い場合には、開弁率を大きくして複数周期連続して設定する。すなわち、インジェクタ２７に対して例えば９０％の開弁率で開始し、１周期時間経過時にさらに同様にして９０％の開弁率を連続して設定する。なお、１周期時間が短く設定されると、開弁率を最大限大きくしても水素の排出量が制限されてしまうおそれがあるが、１回のパージにおいてインジェクタ２７を複数周期続けて開弁することで水素の排出量が制限されるのを防止できる。
【００９４】
以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａでは、燃料排出系に燃料排出手段としてのインジェクタ２７と、このインジェクタ２７を制御して当該インジェクタ２７から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を上限希釈水素濃度（目標所定燃料ガス濃度）Ａ未満に希釈して燃料電池システム１Ａの外部（システム外部）に排出する希釈制御を行うＥＣＵ５０（制御手段）と、を備えている。これによれば、インジェクタ２７を燃料排出系に設けることにより、従来のような遮断弁（排出弁）の開閉制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）よりもアノードオフガスの排出量をより細かく制御できるようになる。その結果、アノードオフガスに含まれる水素の希釈スペースを大型化する必要がなくなるので、希釈スペースの効率化（小型化）が可能になる。つまり、図１０（ａ）に示すように、上限希釈水素濃度を下げることが可能になるので、希釈デバイス（希釈器３４）を小型化することが可能になる。
【００９５】
また、第１実施形態では、アノードオフガスを少量、かつ、排出タイミングよく排出できるので、アノードオフガスに含まれる不純物（生成水、窒素など）を、インジェクタ２７を介して外部にこまめに排出でき、燃料電池１０の発電性能の向上が可能になる。つまり、燃料電池１０のアノード（電極）表面が不純物で覆われて水素のアノードへの供給が阻害されるのを抑制（例えば、フラッディングの発生を抑制）できるので、燃料電池１０の発電性能の向上が可能になる。
【００９６】
また、第１実施形態では、燃料排出系においてインジェクタ２７の上流側にアノードオフガスを排出する排出弁２５を備え、ＥＣＵ５０が排出弁２５およびインジェクタ２７を制御して希釈制御を行う構成を備えている。つまり、アノードオフガスが希釈される濃度は、インジェクタ２７の制御で決まるため、排出弁２５に求められるシール性を簡略化してコストを抑えることができる。また、アノードオフガスの排出量を制御する目的で排出弁２５を並列に複数個設置した場合でも、アノードオフガスの排出量はインジェクタ２７で制御できるため、排出弁２５の個数を削減してコストを抑えることが可能になる。よって、燃料電池システム１Ａ構築の際のコストを抑えることができる。また、第１実施形態によれば、排出弁２５とインジェクタ２７の双方によってアノードオフガスの排出量を制御できるため、より決め細やかに燃料オフガスを希釈することが可能になる。
【００９７】
また、第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０によって排出弁２５が開状態である場合にインジェクタ２７の動作を制限（図９のＳ３０９参照）することにより、インジェクタ２７からのアノードオフガスの排出量を適切に制御することが可能になる。このように制御するのは、排出弁２５が開状態である場合、インジェクタ２７の上流側の圧力が一時的に高まるため、インジェクタ２７の排出量の制御が難しくなるからである。なお、動作を制限するとは、アノードオフガスの排出量を抑制することに限定されず、インジェクタ２７の動作を停止させてアノードオフガスの排出量をゼロにすることも含む。
【００９８】
また、第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０が圧力センサ５１の圧力に基づいてインジェクタ２７の動作量を補正することにより、インジェクタ２７から排出されるアノードオフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【００９９】
また、第１実施形態によれば、燃料排出系において排出弁２５とインジェクタ２７との間に圧力センサ５１を備えることにより、排出弁２５に対して閉指令が出力されている場合において、想定圧力Ｐｓ１が圧力センサ５１の検出値よりも高いときには、インジェクタ２７の閉故障または排出弁２５の開故障であると判定でき、想定圧力Ｐｓ１よりも圧力センサ５１の検出値が低いときには、インジェクタ２７の開故障（シール部分の欠損等を含む）であると判定できる。また、排出弁２５に対して開指令が出力されている場合において、想定圧力Ｐｓ２が圧力センサ５１の検出値よりも低いときには、排出弁２５の閉故障またはインジェクタ２７の開故障であると判定でき、想定圧力Ｐｓ２よりも高いときには、インジェクタ２７の閉故障であると判定できる。このように、インジェクタ２７および排出弁２５が正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１００】
また、第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０が温度センサ５２の温度に基づいてインジェクタ２７の動作量を補正することにより、インジェクタ２７から排出されるアノードオフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【０１０１】
また、第１実施形態によれば、燃料排出系においてインジェクタ２７の上流側にアノードオフガスを貯留するバッファタンク２６を備えることにより、バッファタンク２６にアノードオフガスを溜めた状態でインジェクタ２７を作動させることで、インジェクタ２７からの吐出量を安定して制御できる。
【０１０２】
また、第１実施形態によれば、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスの流量を検出する流量センサ５３（第２流量センサ）を備え、ＥＣＵ５０によって流量センサ５３の検出値に基づいてインジェクタ２７を制御することにより、カソードオフガスの流量を適切に把握することで、カソードオフガスの流量に応じてアノードオフガスの排出を促進することができる。つまり、インジェクタ２７からアノードオフガスを少量且つタイミングよく排出できるので、カソードオフガスの流量が少ないときにアノードオフガスの排出を停止させる必要がなくなり、発電性能のよい燃料電池システム１Ａを構築できる。
【０１０３】
ところで、従来のような弁（バルブ）による制御は、希釈ガス流量（カソードオフガス流量）に応じてバルブの開弁時間が決まるという直接的な制御である。したがって、一度弁を開けた状態で何秒後に閉じるかが決まってしまうので、弁を開けてすぐに希釈ガス流量が急減した場合、弁を閉じることができない。よって、排出水素濃度が高くなるおそれがあるため、希釈デバイス（希釈器など）の大型化につながる。しかし、第１実施形態では、希釈ガス流量（カソードオフガス流量および／またはカソードガス流量）に応じてインジェクタ２７の開弁率が決まるように設定される。すなわち、１周期時間を希釈ガス流量の急減を考慮して定めることで、希釈ガス流量が急減した場合であっても、希釈器３４の出口側の排出水素濃度が上限希釈水素濃度Ａを超えることがない。また、複数周期連続してインジェクタ２７の開弁率を高い状態に設定することにより、希釈ガス流量が多い場合であっても、水素希釈を効果的に行うことができる。
【０１０４】
また、第１実施形態によれば、燃料電池システム１Ａを車両に搭載することにより、発電性能を向上させることができるため、走行性能の高い車両を得ることができる。
【０１０５】
（第２実施形態）
図１２は第２実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａから希釈器３４を取り除いた構成である。なお、第２実施形態は、第１実施形態と同様の構成および効果については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０６】
すなわち、流量センサ５３によりカソードオフガスの流量を検知して、インジェクタ２７からの水素の排出量を細かく制御することで、希釈器（希釈デバイス）３４を不要にできる。なお、燃料電池システム１Ｂでは、配管ａ９と配管ｃ４との合流部が希釈手段に相当する。
【０１０７】
（第３実施形態）
図１３は第３実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａから排出弁２５を取り除いた構成である。なお、第３実施形態は、第１実施形態と同様の構成および効果については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０８】
これによれば、故障検知して以下の効果を得ることができる。すなわち、燃料排出系においてインジェクタ２７の上流側にアノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ５１を備えることにより、想定圧力よりも圧力センサ５１の検出値が低いときには、インジェクタ２７の開故障（シール部分の欠損等を含む）と判定でき、逆に圧力センサ５１の検出値が高いときには、インジェクタ２７の閉故障と判定できる。つまり、インジェクタが正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１０９】
（第４実施形態）
図１４は第４実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。第４実施形態の燃料電池システム１Ｄは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａから排出弁２５と希釈器３４（希釈デバイス）を取り除いた構成である。なお、第４実施形態は、第１実施形態と同様の構成および効果については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１１０】
すなわち、流量センサ５３によりカソードオフガスの流量を検知して、インジェクタ２７からの水素の排出量を細かく制御することで、希釈器（希釈デバイス）３４および排出弁２５を不要にできる。なお、燃料電池システム１Ｄでは、配管ａ９と配管ｃ４との合流部が希釈手段に相当する。
【０１１１】
なお、前記した第１実施形態ないし第４実施形態では、燃料排出手段としてインジェクタ２７を備えた燃料電池システム１Ａ〜１Ｄを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、燃料排出手段としてポンプを適用してもよい。適用可能なポンプとしては、アノードオフガス（水素）を少量かつ排出タイミングを高精度に制御できるものであればよく、例えばギアポンプやプランジャポンプ（容積型ポンプ）などを適用することができる。なお、燃料排出手段は、アノードオフガス（水素）を少量かつ高精度な排出タイミングが可能なものであれば他の種類のポンプであってもよい。
【０１１２】
このように、燃料排出手段としてポンプを備えた燃料電池システム（燃料電池システム１Ａ，１Ｂに対応したもの）によれば、インジェクタ２７の場合と同様な効果を得ることができる。ちなみに、燃料排出系において排出弁２５とポンプとの間にアノードオフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ５１を備えることにより、排出弁２５が閉指令で、圧力センサ５１の検出値が想定圧力Ｐｓ１よりも高いときには、ポンプの故障または排出弁の閉故障であると判定でき、また前記検出値が想定圧力Ｐｓ１よりも低いときには、ポンプの開故障であると判定できる。また、排出弁２５が開指令で、圧力センサ５１の検出値が想定圧力Ｐｓ２よりも低いときには、ポンプの故障または排出弁２５の閉故障であると判定でき、また前記検出値が想定圧力Ｐｓ２よりも高いときには、ポンプの閉故障であると判定できる。このように、ポンプおよび排出弁２５が正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１１３】
また、燃料排出手段としてポンプを備えた燃料電池システム（燃料電池システム１Ｃ，１Ｄに対応したもの）によれば、インジェクタ２７の場合と同様な効果を得ることができる。ちなみに、燃料排出系においてポンプの上流側にアノードオフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ５１を備えることにより、想定圧力よりも圧力センサ５１の検出値が低いときまたは前記検出値が高いときには、ポンプが故障していると判定できる。つまり、ポンプが正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１１４】
また、前記した各実施形態では、インジェクタ２７の上流側に圧力センサ５１を配置した場合、またはインジェクタ２７と排出弁２５との間に圧力センサ５１を配置した場合を例に挙げて説明したが、圧力センサ５１に替えて流量センサ（第１流量検知手段）を適用してもよい。
【０１１５】
すなわち、図１５に示すように、排出弁２５が閉指令で（Ｓ４０１、Ｙｅｓ）、流量センサの検出値Ｑが想定流量Ｑｓ１の上限値よりも多い場合には（Ｓ４０２、Ｙｅｓ）、インジェクタ２７の開故障または排出弁２５の開故障であると判定され（Ｓ４０３）、前記検出値Ｑが想定流量Ｑｓ１の下限値よりも少ない場合には（Ｓ４０４，Ｙｅｓ）、インジェクタ２７の閉故障であると判定される（Ｓ４０６）。また、排出弁２５が開指令で（Ｓ４０１、Ｎｏ）、流量センサの検出値Ｑが想定流量Ｑｓ２の下限値よりも少ない場合には（Ｓ４１０、Ｙｅｓ）、排出弁２５の閉故障またはインジェクタ２７の閉故障であると判定され（Ｓ４１１）、前記検出値Ｑが想定流量Ｑｓ２の上限値よりも多い場合には（Ｓ４１２、Ｙｅｓ）、インジェクタ２７の開故障であると判定される（Ｓ４１４）。
【０１１６】
また、前記した各実施形態では、燃料排出系にインジェクタ２７およびポンプのいずれか一方を適用した場合を例に挙げて説明したが、燃料排出手段としてインジェクタ２７とポンプの双方を備えるものであってもよく、例えばインジェクタ２７をポンプよりも下流側に配置する構成にできる。なお、ポンプをインジェクタ２７よりも下流側に配置してもよい。
【０１１７】
また、前記した燃料電池システム１Ｂ，１Ｄでは、燃料電池１０の上流側のカソードガスを燃料電池１０の下流側に供給する配管ｃ６を備えていない構成としたが、これに限定されず、燃料電池システム１Ｂ，１Ｄの場合であっても、配管ｃ６を設けて配管ｃ５の配管ｃ６との合流点を、配管ａ９の配管ｃ６との合流点よりも上流側に接続する構成にできる。これにより、燃料電池１０の上流側のカソードガス（酸化剤ガス）と、燃料電池１０の下流側のカソードオフガス（酸化剤オフガス）の双方でインジェクタ２７からの水素を希釈することができ、水素の希釈を促進できる。なお、逆に、前記した燃料電池システム１Ａ，１Ｃにおいては、配管ｃ６を備えない構成であってよい。
【０１１８】
また、前記した燃料電池システム１Ａないし１Ｄでは、バッファタンク２６を備える構成としたが、バッファタンクを備えない構成であってもよい。ちなみに、インジェクタ２７の下流側の配管ａ９が希釈器３４または配管ｃ４に接続されることで、配管ｃ４を流れるカソードオフガスの流れによって配管ａ９に対して負圧が発生することになり、インジェクタ２７の上流側と下流側との間で差圧が発生するので、インジェクタ２７からアノードオフガスを吐出させることが可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２５ 排出弁
２６ バッファタンク
２７ インジェクタ（燃料排出手段）
３４ 希釈器（希釈手段）
５０ ＥＣＵ（制御手段）
５１ 圧力センサ（圧力検知手段）
５２ 温度センサ（温度検知手段）
５３ 流量センサ（第２流量検知手段）
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４ 配管（燃料供給系）
ａ５ 配管（燃料循環系）
ａ６，ａ７，ａ８，ａ９ 配管（燃料排出系）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料オフガス排出機構を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、例えば、燃料電池のアノードに水素が供給され、カソードに空気（酸素）が供給されることにより発電が行われる。発電時には、カソードで生成された水や空気に含まれる窒素などの不純物が電解質膜を介してアノードに透過する。不純物を含むアノードオフガスを外部に排出する際に高濃度の水素が外部に排出されないように希釈デバイスを設けて希釈する必要がある。例えば、特許文献１には、燃料電池のアノード側から排出される水素をカソード側から排出されるカソードオフガス（エア）で混合して希釈する希釈デバイスが記載されている。また、特許文献２には、アノード側から排出される水素を空気と触媒反応させて希釈する希釈デバイスが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１８３号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の発明では、希釈デバイスに排出される水素は希釈デバイスの上流側に設けられる排出弁を開弁することによって排出されるが、排出弁の応答性（大雑把な制御しかできないこと）によって排出水素量を細かく制御することが困難であるという問題があった。よって、アノード側の不純物を少量で排出することができず、燃料電池から排出されるオフガス中の水素濃度を目標以下の水素濃度に抑えつつ、燃料電池の発電性能を向上させることが困難であり、特許文献１および特許文献２のように、大型の希釈デバイスが必要となってしまっていた。
したがって、想定以上の水素が排出された場合に備えて、システム内に大型の希釈デバイスを配置するための空間を確保する必要があり、例えば、車両に搭載した際にレイアウトの自由度が損なわれるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、希釈デバイスを小型化または不要にでき、しかも燃料電池の発電性能を向上できる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】
【０００６】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に戻す燃料循環系と、前記燃料循環系から燃料オフガスを排出する燃料排出系と、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料排出系に設けられ、インジェクタおよびポンプの少なくともひとつを含む燃料排出手段と、前記燃料排出手段から排出された燃料オフガスを希釈する希釈手段と、前記燃料排出手段を制御して当該燃料排出手段から排出された燃料オフガスを所定燃料ガス濃度を下回るように希釈してシステム外部に排出する希釈制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、燃料排出手段としてインジェクタおよび／またはポンプを燃料排出系に設けることにより、従来のような遮断弁（排出弁）の開閉制御よりも燃料オフガスの排出量をより細かく制御できるようになる。なお、より細かく制御できるとは、従来のような排出弁による燃料ガスの排出量よりも少量で、かつ、排出タイミングを高精度に制御できることを意味する。その結果、燃料ガスの希釈スペースを大型化する必要がなくなるので、希釈スペースの効率化（小型化）が可能になる。しかも、燃料オフガスを少量、かつ、排出タイミングよく排出でき、燃料循環系内の不純物を燃料排出手段を介して外部に迅速に排出できるので、燃料循環系に不純物が蓄積するのを抑制でき、燃料電池の発電性能の向上が可能になる。
【０００８】
また、前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に燃料オフガスを排出する排出弁を備え、前記制御手段は、前記排出弁および前記燃料排出手段を制御して希釈制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、排出弁を燃料排出手段の上流側に設けることで、燃料電池側の圧力が燃料排出手段に直接作用するのを抑えることができ、耐圧性能を抑えた燃料排出手段（インジェクタ、ポンプ）を用いることができる。その結果、燃料電池システム構築の際のコストを抑えることができる。
【００１０】
また、排出弁と燃料排出手段の双方で燃料オフガスの排出量を制御できるため、よりきめ細やかに燃料オフガスを希釈することが可能になる。
【００１１】
また、前記制御手段は、前記排出弁が開状態である場合、前記燃料排出手段の動作を制限することを特徴とする。
【００１２】
ところで、排出弁が開状態である場合には、燃料排出手段の上流側の圧力が一時的に高まるため、燃料排出手段からの排出量の制御が難しくなる。したがって、排出弁が開状態である場合に燃料排出手段の動作を制限することで、燃料排出手段からの燃料オフガスの排出量を適切に制御することが可能になる。なお、燃料排出手段の動作を制限するとは、燃料オフガスの排出量を低減することに限定されず、燃料排出手段の動作を停止させて燃料オフガスの排出量をゼロにすることも含む。
【００１３】
また、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、前記制御手段は、前記圧力に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする。
【００１４】
これによれば、燃料排出手段からの燃料オフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【００１５】
また、前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、前記制御手段は、前記圧力検知手段の圧力に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする。
【００１６】
これによれば、燃料排出手段がインジェクタの場合、想定圧力（事前の実験等により得られたマップ等で記憶されたもの）と圧力検知手段の検出値とを比較することにより、インジェクタの故障または排出弁の故障を判定できる。このように、燃料排出手段（インジェクタ、ポンプ）および排出弁が正常に機能しているか否かを判定することができるので、高濃度の燃料ガスが外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【００１７】
また、前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの流量を検知する第１流量検知手段を備え、前記制御手段は、前記第１流量検知手段の流量に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする。
【００１８】
これによれば、燃料排出手段がインジェクタの場合、想定流量（事前の実験等により得られたマップ等で記憶されたもの）と第１流量検知手段の検出値とを比較することにより、インジェクタの故障または排出弁の故障を判定できる。このように、燃料排出手段（インジェクタ、ポンプ）および排出弁が正常に機能しているか否かを判定することができるので、高濃度の燃料ガスが外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【００１９】
また、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの温度を検知する温度検知手段を備え、前記制御手段は、前記温度に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする。
【００２０】
これによれば、燃料排出手段からの燃料オフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【００２１】
また、前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスを貯留するバッファタンクを備えることを特徴とする。
【００２２】
これによれば、バッファタンクに燃料オフガスを溜めた状態で制御手段が燃料排出手段を作動させることで、燃料排出手段からの吐出量を安定して制御できる。
【００２３】
また、前記希釈手段に導入される酸化剤ガスおよび／または酸化剤オフガスの流量を検出する第２流量センサを備え、前記制御手段は、前記第２流量センサの検出値に基づいて前記インジェクタを制御することを特徴とする。
【００２４】
これによれば、希釈手段に導入される希釈ガス（酸化剤ガスおよび／または酸化剤オフガス）の流量を適切に把握することで、希釈ガスの流量に応じて燃料オフガスの排出を促進することができる。つまり、希釈ガスの流量が少ないときに燃料オフガスの排出を停止させる必要がなくなるので、発電性能のよい燃料電池システムを構築できる。
【００２５】
また、前記制御手段は、１周期時間当たりの開時間である開弁率に基づいて前記燃料排出手段を制御することを特徴とする。
【００２６】
これによれば、１周期時間として、例えば、開弁率が１００％の状態において希釈手段に導入される希釈ガスの流量が最大変化幅で減少した場合であっても所定燃料ガス濃度を超えない時間に予め設定しておくことで、希釈ガスの流量が急減した場合であっても、希釈手段から排出される燃料ガスが所定燃料ガス濃度を超えないようにできる。一方、希釈ガスの流量が多い場合であっても、複数周期連続して燃料排出手段を高い開弁率で動作させることで、燃料ガスの希釈処理を効果的に行うことが可能になる。
【００２７】
また、車両に搭載されることを特徴とする。
【００２８】
これによれば、前記したように発電性能を向上させることができるため、走行性能の高い車両を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、希釈デバイスを小型化または不要にでき、しかも燃料電池の発電性能を向上できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】排出弁の制御を示すフローチャートである。
【図３】インジェクタの制御を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）はカソードオフガス流量と目標排出水素量との関係を示すマップ、（ｂ）は目標排出水素量とインジェクタの動作量との関係を示すマップである。
【図５】インジェクタの動作指令に応じた水素濃度の変化を示すタイムチャートである。
【図６】インジェクタと排出弁の故障検知を示すフローチャートである。
【図７】インジェクタと排出弁の動作パターンおよび故障時の圧力変化を示すタイムチャートである。
【図８】インジェクタと排出弁の故障検知を示す他のフローチャートである。
【図９】インジェクタと排出弁の他の動作パターンと故障時の圧力変化を示すタイムチャートである。
【図１０】（ａ）はインジェクタの場合の開指令と水素濃度の変化を示すタイムチャート、（ｂ）は従来のバルブの場合の開指令と水素濃度の変化を示すタイムチャートである。
【図１１】（ａ）はカソードオフガス流量が急減した場合のインジェクタ制御、（ｂ）はカソードオフガス流量が多い場合のインジェクタ制御である。
【図１２】第２実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図１３】第３実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図１４】第４実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図１５】インジェクタと排出弁の故障検知を示すさらに他のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａないし１Ｄについて図１ないし図１５を参照して説明する。なお、以下では、燃料電池システム１Ａないし１Ｄを燃料電池自動車に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶用や航空機用などとして適用してもよく、または家庭用や業務用などの定置式のものとして適用してもよく、電気を必要とするあらゆるものに適用できる。
【００３２】
（第１実施形態）
図１に示すように、燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０などを含んで構成されている。
【００３３】
燃料電池１０は、例えば、複数の固体高分子型の単セル（不図示）が積層されることで構成された燃料電池スタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）、このＭＥＡを挟む導電性を有するアノードセパレータ（不図示）及びカソードセパレータ（不図示）などを備えている。
【００３４】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）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とを備えている。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から主に構成されると共に、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）を含んでいる。
【００３５】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝などで形成されたアノード流路１１が形成されている。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝などで形成されたカソード流路１２が形成されている。
【００３６】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されるとともに、カソード流路１２を介して各カソードに空気（酸素）が供給されると、各単セルで電位差（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１０と走行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１０が発電するようになっている。なお、燃料電池１０の発電時には、不純物（生成水、窒素など）が電解質膜を介してカソードからアノードに透過する。
【００３７】
アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、減圧弁２３、エゼクタ２４、排出弁２５、バッファタンク２６、インジェクタ２７（燃料排出手段）、配管ａ１〜ａ９を含んで構成されている。なお、本実施形態では、水素タンク２１、配管ａ１、遮断弁２２、配管ａ２、減圧弁２３、配管ａ３，ａ４が燃料供給系に相当する。また、本実施形態では、配管ａ５およびエゼクタ２４が燃料循環系に相当する。また、本実施形態では、配管ａ６、排出弁２５、配管ａ７、バッファタンク２６、配管ａ８、インジェクタ２７および配管ａ９が燃料排出系に相当する。
【００３８】
水素タンク２１は、燃料としての高純度の水素が高圧で充填された容器である。遮断弁２２は、非通電時に弁体が閉じる常閉式のソレノイドバルブで構成される。減圧弁２３は、水素タンク２１からの１次圧を、この１次圧よりも低い２次圧に減圧する機能を有する。なお、燃料供給系における減圧手段としては、減圧弁２３のみに限定されるものではなく、減圧弁を２つ以上設けて、２段階以上で減圧するものであってもよい。
【００３９】
エゼクタ２４は、燃料電池１０のアノード流路１１から排出された未反応の水素を、配管ａ５を介して燃料電池１０のアノード流路１１に戻す真空ポンプの一種である。すなわち、エゼクタ２４は、水素タンク２１からの流れによって生じる負圧によって配管ａ５から戻るアノードオフガス（燃料オフガス）を吸引することで、燃料電池１０の上流側に再び供給するように構成されている。
【００４０】
排出弁２５は、非通電時に弁体が閉じる常閉式の電磁弁で構成され、ＥＣＵ５０の制御によって開弁されることにより、燃料電池１０の発電時に水素循環流路（アノード流路１１、配管ａ５，ａ４）を循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出するようになっている。なお、排出弁２５を開弁して不純物を排出するタイミングとしては、例えば、燃料電池１０の単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（不図示）から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となったときである。または、排出弁２５を開弁して不純物を排出するタイミングとしては、所定時間経過後に定期的に開弁する構成であってもよい。
【００４１】
バッファタンク２６は、水素循環流路から排出弁２５を介して排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を一時的に溜めておくことができる貯留空間を備えている。なお、貯留空間の容積は、燃料電池１０の発電性能が損なわれる前に水素循環系からアノードオフガスを排出できるように設定されている。
【００４２】
インジェクタ２７は、例えば、電子制御式のものであって、ＥＣＵ５０のＰＷＭ制御によって噴射信号が出力されることで、アノードオフガスが希釈器３４に向けて噴射（吐出）される。この噴射信号は噴射量に応じたパルス幅を有するパルス信号（オン時間）であり、このパルス幅に相当する時間だけ開弁されてアノードオフガスを噴射するようになっている。すなわち、１周期におけるオン時間とオフ時間の比を調整することにより吐出量を増減できる。
【００４３】
このようなインジェクタ２７を用いてアノードオフガスを排出することにより、インジェクタ２７からの排出量（吐出量）を、従来のような排出弁（排出弁２５に相当するもの）を開弁したときに排出される排出量よりも少量に設定でき、しかもインジェクタ２７の排出タイミングを高精度に制御できる。
【００４４】
カソード系３０は、コンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３、希釈器３４、配管ｃ１〜ｃ７を含んで構成されている。なお、希釈器３４の下流に接続された配管ｃ７は、消音器などを介して車外（外部、大気）と連通するように構成されている。
【００４５】
コンプレッサ３１は、モータ（不図示）で駆動されるスーパーチャージャなどで構成されている。ＥＣＵ５０によってコンプレッサ３１が駆動されると、車外から取り込まれた空気がカソード流路１２に向けて供給される。コンプレッサ３１のモータの回転速度は、例えば、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するように、高められる設定となっている。
【００４６】
加湿器３２は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、中空糸膜を介して、燃料電池１０に供給される空気と、カソード流路１２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れて、燃料電池１０に供給される空気が加湿されるように構成されている。
【００４７】
背圧弁３３は、バタフライ弁などで構成された開度調整可能な常開型（非通電時に弁体の開度が最大）の弁で構成され、例えば、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、ＥＣＵ５０によって、空気を高圧で供給するために、開度が小さくなる（絞る）ように制御される。
【００４８】
希釈器（希釈手段、希釈デバイス）３４は、カソードオフガス（酸化剤オフガス）を導入する配管ｃ５、燃料電池１０の上流側の乾燥したカソードガス（空気、酸化剤ガス）を導入する配管ｃ６、アノードオフガスが導入される配管ａ９がそれぞれ接続されている。希釈器３４に導入されたアノードオフガスに含まれる水素は、カソードオフガスとカソードガスによって希釈された後に配管ｃ７を介して車外に排出される。なお、例えば、配管ｃ６にはオリフィスが設けられ、燃料電池１０のカソードへのカソードガスの供給が損なわれないように設定されている。
【００４９】
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、コンプレッサ３１のモータ（不図示）の回転速度、遮断弁２２、排出弁２５の開閉、インジェクタ２７からの排出量（パルス幅）、背圧弁３３の開度を、それぞれ制御する。
【００５０】
また、ＥＣＵ５０は、排出弁２５とインジェクタ２７との間の配管ａ８のアノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ５１の検出値、配管ａ８のアノードオフガスの温度を検出する温度センサ５２の検出値、配管ｃ１に通流するカソードオフガスの流量を検出する流量センサ５３の検出値をそれぞれ取得する。なお、温度センサ５２の位置は、配管ａ８の位置に限定されず、配管ａ４，ａ５，ａ６，ａ７のいずれであってもよい。
【００５１】
圧力センサ５１の検出値は、排出弁２５を開弁してパージ可能であるかどうかを判断するためのものである。ＥＣＵ５０は、例えばアクセル開度と圧力とが関係付けられた運転状態のマップに基づいて排出弁２５を開弁してよいか（パージしてよいか）否かを判定する。すなわち、ＥＣＵ５０は、運転状態のマップに基づいて、圧力センサ５１の検出値が、所定圧力（パージ可能圧力）以下と判定した場合には、排出弁２５を開弁しないように制御する。つまり、検出値が高過ぎる場合には、排出弁２５を開弁したとしても排出弁２５の上流と下流との差圧が得られないので、排出弁２５を開弁しない。
【００５２】
また、圧力センサ５１の検出値は、インジェクタ２７から吐出されるアノードオフガスの吐出量を補正するためのものである。ＥＣＵ５０は、検出値（圧力）が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように、検出値が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように補正する（図４（ｂ）参照）。
【００５３】
また、圧力センサ５１の検出値は、排出弁２５およびインジェクタ２７の故障検知に利用される。なお、その故障検知については後記する。
【００５４】
温度センサ５２の検出値は、インジェクタ２７の動作量を補正するためのものである。ＥＣＵ５０は、検出値（温度）が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように、検出値が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように補正する（図４（ｂ）参照）。つまり、検出値が高い場合には、アノードオフガスに含まれる水分の割合が増加してアノードオフガスの水素濃度が低下するので、インジェクタ２７の動作量を増加させる方向に補正され、検出値が低い場合には、アノードオフガスに含まれる水分の割合が減少してアノードオフガスの水素濃度が高まるので、インジェクタ２７の動作量を減少させる方向に補正される。
【００５５】
流量センサ５３の検出値は、希釈器３４に導入されるカソードオフガス（酸化剤オフガス）の流量を検出するためのものである。ＥＣＵ５０は、流量センサ５３によって検出されたカソードオフガス流量に基づいて希釈器３４に導入される目標排出水素量を算出する（図４（ａ）参照）。なお、流量センサ５３の位置は、本実施形態のように燃料電池１０の下流側に限定されるものではなく、例えば、コンプレッサ３１と加湿器３２との間の配管ｃ１に設けて、カソードオフガス流量を算出してもよい。
【００５６】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について図２ないし図５を参照して説明する。図２は排出弁の制御を示すフローチャート、図３はインジェクタの制御を示すフローチャート、図４（ａ）はカソードオフガス流量と目標排出水素量との関係を示すマップ、（ｂ）は目標排出水素量とインジェクタの動作量との関係を示すマップ、図５はインジェクタの動作指令に応じた水素濃度の変化を示すタイムチャートである。
【００５７】
まず、燃料電池システム１Ａの運転が開始（例えば、イグニッションスイッチがオン）されると、ＥＣＵ５０は、図示しないバッテリの電力を利用して、遮断弁２２を開弁し、またコンプレッサ３１の駆動を開始する。これにより、水素タンク２１から放出された水素は、減圧弁２３で所定の圧力に減圧された後に、アノード流路１１に供給される。また、コンプレッサ３１から供給された空気（外気）は、加湿器３２で適度に加湿された後にカソード流路１２に供給され、配管ｃ６を介して希釈器３４に導入される。そして、ＥＣＵ５０は、燃料電池１０のＯＣＶが所定値（外部負荷への電力供給の開始を許可できる電圧）を超えたと判定した場合に外部負荷（走行モータなど）との接続を開始し、燃料電池１０の発電を開始する。
【００５８】
発電が開始されると、カソード流路１２に供給された空気に含まれる不純物としての窒素が電解質膜を介してアノード流路１１に透過する。また、カソードでは、発電によって水が生成され、この生成された水も電解質膜を介してアノード流路１１に透過する。このため、アノード流路１１を含む水素循環系に窒素や生成水の不純物が溜まることになるので、排出弁２５を開弁し、インジェクタ２７を作動させることにより、不純物を外部に排出する必要がある。
【００５９】
そこで、本実施形態では、排出弁２５とインジェクタ２７を以下のように制御したものである。図２に示すように、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、パージ要求があるか否かを判定する。パージ要求とは、排出弁２５を開弁して、アノードオフガスを水素循環系からバッファタンク２６に排出させる指令である。例えば、パージ要求を出力するタイミングは、前記したように、燃料電池１０の単セルの電圧を検出するセル電圧モニタ（不図示）から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下となったとき、またはアノードオフガスを定期的に排出する場合には所定時間が経過したときである。ＥＣＵ５０は、パージ要求がないと判定した場合には（Ｓ１０１、Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理を繰り返し、パージ要求があると判定した場合には（Ｓ１０１、Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。
【００６０】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、排出弁２５とインジェクタ２７との間の圧力Ｐが前記したパージ可能圧力か否かを判定する。
【００６１】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐがパージ可能圧力ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０２の処理を繰り返し、圧力Ｐがパージ可能圧力であると判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。
【００６２】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、排出弁２５を所定時間開弁する。なお、所定時間は、水素循環系内の不純物を排出して、水素循環系内のガスを水素に置換できる時間に設定される。排出弁２５が所定時間開弁されることにより、水素循環系内のアノードオフガスがバッファタンク２６に一時的に貯留される。そして、ＥＣＵ５０は、所定時間経過後に排出弁２５を閉弁する。
【００６３】
一方、インジェクタ２７については、図３に示すように制御される。すなわち、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ５０は、流量センサ５３からカソードオフガス（以下、Ｃａオフガスと表記する）の流量を検出する。
【００６４】
そして、ステップＳ２０２に進み、ＥＣＵ５０は、図４（ａ）に示すマップに基づいて、ステップＳ２０１で検出されたＣａオフガスの流量から目標排出水素量を算出する。図４（ａ）は、Ｃａオフガス流量と目標排出水素量とが関係づけられたマップであり、Ｃａオフガスの流量が多くなるにつれて、目標排出水素量も増加するようになっている。つまり、Ｃａオフガスの流量が多いということは、アノードオフガスに含まれる水素を希釈する希釈ガスが多く存在するということであるので、排出可能なアノードオフガス量を増やすことができる。
【００６５】
そして、ステップＳ２０３に進み、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２０２で算出した目標排出水素量からインジェクタ２７の動作条件を算出する。動作条件としては、例えば、通常モードでは、目標排出水素量が多い場合、一周期におけるオン時間に対してオフ時間が短くなるように設定し、目標排出水素量が少ない場合には、一周期におけるオン時間に対してオフ時間が長くなるように設定する。また、目標排出水素量をさらに増量する場合には、通常モードよりも周期を短くしてオン時間とオフ時間との比を調整することで、少量かつ多周期で水素を排出することができる。
【００６６】
そして、ステップＳ２０４に進み、ＥＣＵ５０は、圧力センサ５１からアノードオフガス（Ａｎオフガス）の圧力Ｐと、温度センサ５２からＡｎオフガスの温度Ｔを取得し、これら圧力Ｐと温度ＴからステップＳ２０２において算出した目標排出水素量となるようにインジェクタ２７の動作量を図４（ｂ）に示すマップに基づいて補正する。なお、インジェクタ２７の動作量とは、例えば、開弁時間、動作周期を意味している。
【００６７】
図４（ｂ）に示すように、基準の目標排出水素量とインジェクタ２７の動作量の関係を示すマップに対して、バッファタンク２６内のＡｎオフガスの圧力が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように（例えば、開弁時間が短くなるように、または動作周期が長くなるように）補正し、Ａｎオフガスの圧力が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように（例えば、開弁時間が長くなるように、または動作周期が短くなるように）補正する。また、基準のマップに対して、バッファタンク２６内のＡｎオフガスの温度が高い場合には、インジェクタ２７の動作量が多くなるように補正し、Ａｎオフガスの温度が低い場合には、インジェクタ２７の動作量が少なくなるように補正する。このように、温度と圧力に基づいてインジェクタ２７からの動作量を補正することにより、インジェクタ２７から排出される水素量を適切に設定することができ、上限希釈水素濃度を確実に下回るようにすることができる。
【００６８】
そして、ステップＳ２０５に進み、ＥＣＵ５０は、インジェクタ２７を制御して、目標排出水素量の水素を排出する。インジェクタ２７から排出されたアノードオフガス中の水素は、配管ａ９を介して希釈器３４に導入される。このとき希釈器３４では、配管ｃ５から排出されるカソードオフガス（希釈ガス）と配管ｃ６から排出されるカソードガス（希釈ガス）によってアノードオフガス中の水素が希釈された後、外部（車外）に排出される。
【００６９】
なお、インジェクタ２７の上流側は、バッファタンク２６に溜められたアノードオフガスによって圧力が高くなっており、インジェクタ２７の下流側は、希釈器３４を介して燃料電池システム１Ａの外部（大気）と連通しているので圧力が上流側よりも低くなる。よって、インジェクタ２７の上流と下流との差圧によって、インジェクタ２７を作動させたときにインジェクタ２７からアノードオフガスを吐出（噴射）させることができる。
【００７０】
前記した燃料電池システム１Ａでは、水素排出系にインジェクタ２７を備えることにより、図５（ｂ）に示すように、目標排出水素量を従来よりも少量で、かつ、Ｃａオフガス流量に応じて排出タイミングを高精度に制御できることで、図５（ｄ）に示すように、水素濃度のピーク値を目標とする希釈後の水素濃度（上限希釈水素濃度）Ａよりも確実に下げることが可能になる。
【００７１】
また、図５（ａ）に示すように、従来のような排出弁での水素排出と比べて水素を少量かつ多周期で排出できるため、図５（ｃ）に示すように増量モードで水素を排出したとしても、上限希釈水素濃度Ａ未満の領域で効率よく水素を排出することができる。
【００７２】
なお、インジェクタ２７を作動させる期間は、バッファタンク２６内にアノードオフガスが導入されて、インジェクタ２７の上流側と下流側の差圧がアノードオフガスを噴射させるのに必要な圧力Ｐとなっているときである。よって、圧力センサ５１の検出値（圧力Ｐ）を監視することにより、インジェクタ２７を作動させる必要があるか否かを判定できる。これにより、インジェクタ２７を無駄に作動させるのを防止できる。
【００７３】
次に、排出弁２５とインジェクタ２７の故障検知について図６ないし図９を参照して説明する。図６は故障検知を示すフローチャート、図７は故障時の圧力変化を示すタイムチャート、図８は故障検知を示す別のフローチャート、図９は故障時の圧力変化を示すタイムチャートである。
【００７４】
図６に示すように、ステップＳ３０１において、ＥＣＵ５０は、排出弁２５が閉指令であるか否かを判定する。排出弁２５が閉指令であるか否かは、ＥＣＵ５０が排出弁２５に対して開指令を出力していないか否かで判定することができる。ＥＣＵ５０は、排出弁２５が閉指令であると判定した場合には（Ｓ３０１、Ｙｅｓ）、ステップＳ３０２に進む。
【００７５】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ５０は、圧力センサ５１によって検出される圧力Ｐが、想定圧力Ｐｓ１の上限値よりも高いか否かを判定する。想定圧力Ｐｓ１の上限値とは、水素排出時に排出弁２５とインジェクタ２７がともに正常に作動している場合において想定される圧力の上限値であり、予め実験等によって求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
【００７６】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の上限値よりも高いと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３に進み、「排出弁２５の開故障」または「インジェクタ２７の閉故障」であると判定する。
【００７７】
なお、排出弁２５の開故障とは、排出弁２５に対して開指令を出力していないにもかかわらず、排出弁２５が閉まらない不具合である。また、インジェクタ２７の閉故障とは、インジェクタ２７に対して開指令（パルス信号）を出力しているにもかかわらず、インジェクタ２７から水素を排出できない不具合である。
【００７８】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の上限値以下であると判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ３０４に進む。
【００７９】
ステップＳ３０４において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の下限値よりも低いか否かを判定する。ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の下限値以上であると判定した場合には（Ｓ３０４、Ｎｏ）、ステップＳ３０５に進み、排出弁２５とインジェクタ２７がともに正常に作動していると判定する。
【００８０】
また、ステップＳ３０４において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ１の下限値よりも低いと判定した場合（Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の開故障」と判定する。なお、インジェクタ２７の開故障とは、インジェクタ２７に対して開指令を出力しているが、指令通りの水素が排出されず水素が漏れている不具合である。
【００８１】
一方、ステップＳ３０１において、排出弁２５が閉指令ではないと判定した場合には（Ｎｏ）、つまり、排出弁２５が開指令である場合には、ステップＳ３１０に進み、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の下限値より低いか否かを判定する。
【００８２】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の下限値より低いと判定した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３１１に進み、「排出弁２５の閉故障」または「インジェクタ２７の開故障」であると判定する。
【００８３】
なお、排出弁２５の閉故障とは、排出弁２５に対して開指令を出力しているにもかかわらず、排出弁２５が開指令通りに開かない不具合である。なお、このときの閉故障とは、弁が全閉する場合だけではなく半開するといった不具合も含む。インジェクタ２７の開故障とは、インジェクタ２７に対して開指令を出力しているが、インジェクタ２７から指令通りの水素が排出されず水素が漏れている不具合である。
【００８４】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の下限値以上であると判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１２に進む。
【００８５】
ステップＳ３１２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の上限値よりも高いか否かを判定する。ステップＳ３１２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の上限値以下と判定した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１３に進み、排出弁２５とインジェクタ２７がともに正常に作動していると判定する。
【００８６】
また、ステップＳ３１２において、ＥＣＵ５０は、圧力Ｐが想定圧力Ｐｓ２の上限値よりも高いと判定した場合（Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の閉故障」と判定する。
【００８７】
図７において時刻ｔ０〜ｔ１に示すように、排出弁２５が閉指令である場合（Ｓ３０１、Ｙｅｓ）、圧力センサ５１によって想定圧力Ｐｓ１の上限値よりも高い圧力（符号Ｂ１参照）が検出されたときには（Ｓ３０２、Ｙｅｓ）、「排出弁２５の開故障」または「インジェクタ２７の閉故障」であると判定される（Ｓ３０３）。また、想定圧力Ｐｓ１の下限値よりも低い圧力（符号Ｂ２参照）が検出されたときには（Ｓ３０４、Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の開故障」であると判定される（Ｓ３０６）。
【００８８】
また、図７において時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、排出弁２５が開指令である場合（Ｓ３０１、Ｎｏ）、圧力センサ５１によって想定圧力Ｐｓ２の下限値よりも低い圧力（符号Ｃ２参照）が検出されたときには（Ｓ３１０、Ｙｅｓ）、「排出弁２５の閉故障」または「インジェクタ２７の開故障」であると判定する（Ｓ３１１）。また、想定圧力Ｐｓ２の上限値よりも高い圧力（符号Ｃ１参照）が検出されたときには（Ｓ３１２、Ｙｅｓ）、「インジェクタ２７の閉故障」であると判定される（Ｓ３１４）。
【００８９】
なお、図８および図９に示すように、ＥＣＵ５０は、排出弁２５が開指令であると判定した場合（Ｓ３０１、Ｎｏ）、インジェクタ２７に対して動作を停止させる指令を出力するように制御してもよい（Ｓ３０９、図９の時刻ｔ１〜ｔ２参照）。なお、その他の処理は、図６に示す処理と同様であり、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。
【００９０】
ところで、本実施形態としての図１０（ａ）、および、比較例（従来例）としての図１０（ｂ）に示すように、同量の水素を排出すると仮定する。そうした場合、図１０（ｂ）に示すように、燃料排出系にバルブを備えた従来の燃料電池システムでは、バルブの応答性の関係で数百ｍｓｅｃ〜数秒間、バルブを開にして水素を排出していた。このような場合に水素を排出すると、バルブを開弁したときに水素濃度が急上昇する。しかし、図１０（ａ）に示すように、燃料排出系にインジェクタ２７を備えた燃料電池システム１Ａでは、インジェクタ２７を数ｍｓｅｃで開閉することが可能になるため、図１０（ｂ）と同様に同じ水素量を排出した場合、インジェクタ２７での方が細かく弁を開閉できるので、水素濃度の上昇を低減できる。
【００９１】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、インジェクタ２７については、１周期時間当たりの開弁時間（開時間）である開弁率に基づいて制御する構成としてもよい。なお、１周期時間とは、予め実験やシミュレーションなどによって定められてＥＣＵ５０に記憶されるものであり、希釈デバイス（希釈器３４）の容量、および、燃料電池システム１Ａ上において起こり得る希釈ガス（カソードオフガスおよび／またはカソードガス）流量の急減（例えば、単位時間当たりの減少率が最大で変化すること）を考慮して設定される。すなわち、インジェクタ２７の開弁率が１００％で、かつ、希釈ガスの流量が急減したとしても、希釈器３４から排出される水素の濃度（排気の水素濃度）が上限希釈水素濃度Ａを超えないように１周期時間が設定される。
【００９２】
例えば、図１１（ａ）に示すように、インジェクタ２７に対して開弁と同時に希釈器３４に導入される希釈ガス（カソードオフガス）流量が急減した場合には、１周期時間の経過時にインジェクタ２７の開弁率を下げる。
【００９３】
一方、図１１（ｂ）に示すように、希釈ガス（カソードオフガス）流量が多い場合には、開弁率を大きくして複数周期連続して設定する。すなわち、インジェクタ２７に対して例えば９０％の開弁率で開始し、１周期時間経過時にさらに同様にして９０％の開弁率を連続して設定する。なお、１周期時間が短く設定されると、開弁率を最大限大きくしても水素の排出量が制限されてしまうおそれがあるが、１回のパージにおいてインジェクタ２７を複数周期続けて開弁することで水素の排出量が制限されるのを防止できる。
【００９４】
以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａでは、燃料排出系に燃料排出手段としてのインジェクタ２７と、このインジェクタ２７を制御して当該インジェクタ２７から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を上限希釈水素濃度（目標所定燃料ガス濃度）Ａ未満に希釈して燃料電池システム１Ａの外部（システム外部）に排出する希釈制御を行うＥＣＵ５０（制御手段）と、を備えている。これによれば、インジェクタ２７を燃料排出系に設けることにより、従来のような遮断弁（排出弁）の開閉制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）よりもアノードオフガスの排出量をより細かく制御できるようになる。その結果、アノードオフガスに含まれる水素の希釈スペースを大型化する必要がなくなるので、希釈スペースの効率化（小型化）が可能になる。つまり、図１０（ａ）に示すように、上限希釈水素濃度を下げることが可能になるので、希釈デバイス（希釈器３４）を小型化することが可能になる。
【００９５】
また、第１実施形態では、アノードオフガスを少量、かつ、排出タイミングよく排出できるので、アノードオフガスに含まれる不純物（生成水、窒素など）を、インジェクタ２７を介して外部にこまめに排出でき、燃料電池１０の発電性能の向上が可能になる。つまり、燃料電池１０のアノード（電極）表面が不純物で覆われて水素のアノードへの供給が阻害されるのを抑制（例えば、フラッディングの発生を抑制）できるので、燃料電池１０の発電性能の向上が可能になる。
【００９６】
また、第１実施形態では、燃料排出系においてインジェクタ２７の上流側にアノードオフガスを排出する排出弁２５を備え、ＥＣＵ５０が排出弁２５およびインジェクタ２７を制御して希釈制御を行う構成を備えている。つまり、アノードオフガスが希釈される濃度は、インジェクタ２７の制御で決まるため、排出弁２５に求められるシール性を簡略化してコストを抑えることができる。また、アノードオフガスの排出量を制御する目的で排出弁２５を並列に複数個設置した場合でも、アノードオフガスの排出量はインジェクタ２７で制御できるため、排出弁２５の個数を削減してコストを抑えることが可能になる。よって、燃料電池システム１Ａ構築の際のコストを抑えることができる。また、第１実施形態によれば、排出弁２５とインジェクタ２７の双方によってアノードオフガスの排出量を制御できるため、より決め細やかに燃料オフガスを希釈することが可能になる。
【００９７】
また、第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０によって排出弁２５が開状態である場合にインジェクタ２７の動作を制限（図９のＳ３０９参照）することにより、インジェクタ２７からのアノードオフガスの排出量を適切に制御することが可能になる。このように制御するのは、排出弁２５が開状態である場合、インジェクタ２７の上流側の圧力が一時的に高まるため、インジェクタ２７の排出量の制御が難しくなるからである。なお、動作を制限するとは、アノードオフガスの排出量を抑制することに限定されず、インジェクタ２７の動作を停止させてアノードオフガスの排出量をゼロにすることも含む。
【００９８】
また、第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０が圧力センサ５１の圧力に基づいてインジェクタ２７の動作量を補正することにより、インジェクタ２７から排出されるアノードオフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【００９９】
また、第１実施形態によれば、燃料排出系において排出弁２５とインジェクタ２７との間に圧力センサ５１を備えることにより、排出弁２５に対して閉指令が出力されている場合において、想定圧力Ｐｓ１が圧力センサ５１の検出値よりも高いときには、インジェクタ２７の閉故障または排出弁２５の開故障であると判定でき、想定圧力Ｐｓ１よりも圧力センサ５１の検出値が低いときには、インジェクタ２７の開故障（シール部分の欠損等を含む）であると判定できる。また、排出弁２５に対して開指令が出力されている場合において、想定圧力Ｐｓ２が圧力センサ５１の検出値よりも低いときには、排出弁２５の閉故障またはインジェクタ２７の開故障であると判定でき、想定圧力Ｐｓ２よりも高いときには、インジェクタ２７の閉故障であると判定できる。このように、インジェクタ２７および排出弁２５が正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１００】
また、第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０が温度センサ５２の温度に基づいてインジェクタ２７の動作量を補正することにより、インジェクタ２７から排出されるアノードオフガスの排出量を高精度に制御することが可能になる。
【０１０１】
また、第１実施形態によれば、燃料排出系においてインジェクタ２７の上流側にアノードオフガスを貯留するバッファタンク２６を備えることにより、バッファタンク２６にアノードオフガスを溜めた状態でインジェクタ２７を作動させることで、インジェクタ２７からの吐出量を安定して制御できる。
【０１０２】
また、第１実施形態によれば、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスの流量を検出する流量センサ５３（第２流量センサ）を備え、ＥＣＵ５０によって流量センサ５３の検出値に基づいてインジェクタ２７を制御することにより、カソードオフガスの流量を適切に把握することで、カソードオフガスの流量に応じてアノードオフガスの排出を促進することができる。つまり、インジェクタ２７からアノードオフガスを少量且つタイミングよく排出できるので、カソードオフガスの流量が少ないときにアノードオフガスの排出を停止させる必要がなくなり、発電性能のよい燃料電池システム１Ａを構築できる。
【０１０３】
ところで、従来のような弁（バルブ）による制御は、希釈ガス流量（カソードオフガス流量）に応じてバルブの開弁時間が決まるという直接的な制御である。したがって、一度弁を開けた状態で何秒後に閉じるかが決まってしまうので、弁を開けてすぐに希釈ガス流量が急減した場合、弁を閉じることができない。よって、排出水素濃度が高くなるおそれがあるため、希釈デバイス（希釈器など）の大型化につながる。しかし、第１実施形態では、希釈ガス流量（カソードオフガス流量および／またはカソードガス流量）に応じてインジェクタ２７の開弁率が決まるように設定される。すなわち、１周期時間を希釈ガス流量の急減を考慮して定めることで、希釈ガス流量が急減した場合であっても、希釈器３４の出口側の排出水素濃度が上限希釈水素濃度Ａを超えることがない。また、複数周期連続してインジェクタ２７の開弁率を高い状態に設定することにより、希釈ガス流量が多い場合であっても、水素希釈を効果的に行うことができる。
【０１０４】
また、第１実施形態によれば、燃料電池システム１Ａを車両に搭載することにより、発電性能を向上させることができるため、走行性能の高い車両を得ることができる。
【０１０５】
（第２実施形態）
図１２は第２実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａから希釈器３４を取り除いた構成である。なお、第２実施形態は、第１実施形態と同様の構成および効果については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０６】
すなわち、流量センサ５３によりカソードオフガスの流量を検知して、インジェクタ２７からの水素の排出量を細かく制御することで、希釈器（希釈デバイス）３４を不要にできる。なお、燃料電池システム１Ｂでは、配管ａ９と配管ｃ４との合流部が希釈手段に相当する。
【０１０７】
（第３実施形態）
図１３は第３実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａから排出弁２５を取り除いた構成である。なお、第３実施形態は、第１実施形態と同様の構成および効果については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０８】
これによれば、故障検知して以下の効果を得ることができる。すなわち、燃料排出系においてインジェクタ２７の上流側にアノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ５１を備えることにより、想定圧力よりも圧力センサ５１の検出値が低いときには、インジェクタ２７の開故障（シール部分の欠損等を含む）と判定でき、逆に圧力センサ５１の検出値が高いときには、インジェクタ２７の閉故障と判定できる。つまり、インジェクタが正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１０９】
（第４実施形態）
図１４は第４実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。第４実施形態の燃料電池システム１Ｄは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａから排出弁２５と希釈器３４（希釈デバイス）を取り除いた構成である。なお、第４実施形態は、第１実施形態と同様の構成および効果については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１１０】
すなわち、流量センサ５３によりカソードオフガスの流量を検知して、インジェクタ２７からの水素の排出量を細かく制御することで、希釈器（希釈デバイス）３４および排出弁２５を不要にできる。なお、燃料電池システム１Ｄでは、配管ａ９と配管ｃ４との合流部が希釈手段に相当する。
【０１１１】
なお、前記した第１実施形態ないし第４実施形態では、燃料排出手段としてインジェクタ２７を備えた燃料電池システム１Ａ〜１Ｄを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、燃料排出手段としてポンプを適用してもよい。適用可能なポンプとしては、アノードオフガス（水素）を少量かつ排出タイミングを高精度に制御できるものであればよく、例えばギアポンプやプランジャポンプ（容積型ポンプ）などを適用することができる。なお、燃料排出手段は、アノードオフガス（水素）を少量かつ高精度な排出タイミングが可能なものであれば他の種類のポンプであってもよい。
【０１１２】
このように、燃料排出手段としてポンプを備えた燃料電池システム（燃料電池システム１Ａ，１Ｂに対応したもの）によれば、インジェクタ２７の場合と同様な効果を得ることができる。ちなみに、燃料排出系において排出弁２５とポンプとの間にアノードオフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ５１を備えることにより、排出弁２５が閉指令で、圧力センサ５１の検出値が想定圧力Ｐｓ１よりも高いときには、ポンプの故障または排出弁の閉故障であると判定でき、また前記検出値が想定圧力Ｐｓ１よりも低いときには、ポンプの開故障であると判定できる。また、排出弁２５が開指令で、圧力センサ５１の検出値が想定圧力Ｐｓ２よりも低いときには、ポンプの故障または排出弁２５の閉故障であると判定でき、また前記検出値が想定圧力Ｐｓ２よりも高いときには、ポンプの閉故障であると判定できる。このように、ポンプおよび排出弁２５が正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１１３】
また、燃料排出手段としてポンプを備えた燃料電池システム（燃料電池システム１Ｃ，１Ｄに対応したもの）によれば、インジェクタ２７の場合と同様な効果を得ることができる。ちなみに、燃料排出系においてポンプの上流側にアノードオフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ５１を備えることにより、想定圧力よりも圧力センサ５１の検出値が低いときまたは前記検出値が高いときには、ポンプが故障していると判定できる。つまり、ポンプが正常に機能しているか否かを判定することができ、高濃度の水素が外部に排出されるのを防ぐことが可能になる。
【０１１４】
また、前記した各実施形態では、インジェクタ２７の上流側に圧力センサ５１を配置した場合、またはインジェクタ２７と排出弁２５との間に圧力センサ５１を配置した場合を例に挙げて説明したが、圧力センサ５１に替えて流量センサ（第１流量検知手段）を適用してもよい。
【０１１５】
すなわち、図１５に示すように、排出弁２５が閉指令で（Ｓ４０１、Ｙｅｓ）、流量センサの検出値Ｑが想定流量Ｑｓ１の上限値よりも多い場合には（Ｓ４０２、Ｙｅｓ）、インジェクタ２７の開故障または排出弁２５の開故障であると判定され（Ｓ４０３）、前記検出値Ｑが想定流量Ｑｓ１の下限値よりも少ない場合には（Ｓ４０４，Ｙｅｓ）、インジェクタ２７の閉故障であると判定される（Ｓ４０６）。また、排出弁２５が開指令で（Ｓ４０１、Ｎｏ）、流量センサの検出値Ｑが想定流量Ｑｓ２の下限値よりも少ない場合には（Ｓ４１０、Ｙｅｓ）、排出弁２５の閉故障またはインジェクタ２７の閉故障であると判定され（Ｓ４１１）、前記検出値Ｑが想定流量Ｑｓ２の上限値よりも多い場合には（Ｓ４１２、Ｙｅｓ）、インジェクタ２７の開故障であると判定される（Ｓ４１４）。
【０１１６】
また、前記した各実施形態では、燃料排出系にインジェクタ２７およびポンプのいずれか一方を適用した場合を例に挙げて説明したが、燃料排出手段としてインジェクタ２７とポンプの双方を備えるものであってもよく、例えばインジェクタ２７をポンプよりも下流側に配置する構成にできる。なお、ポンプをインジェクタ２７よりも下流側に配置してもよい。
【０１１７】
また、前記した燃料電池システム１Ｂ，１Ｄでは、燃料電池１０の上流側のカソードガスを燃料電池１０の下流側に供給する配管ｃ６を備えていない構成としたが、これに限定されず、燃料電池システム１Ｂ，１Ｄの場合であっても、配管ｃ６を設けて配管ｃ５の配管ｃ６との合流点を、配管ａ９の配管ｃ６との合流点よりも上流側に接続する構成にできる。これにより、燃料電池１０の上流側のカソードガス（酸化剤ガス）と、燃料電池１０の下流側のカソードオフガス（酸化剤オフガス）の双方でインジェクタ２７からの水素を希釈することができ、水素の希釈を促進できる。なお、逆に、前記した燃料電池システム１Ａ，１Ｃにおいては、配管ｃ６を備えない構成であってよい。
【０１１８】
また、前記した燃料電池システム１Ａないし１Ｄでは、バッファタンク２６を備える構成としたが、バッファタンクを備えない構成であってもよい。ちなみに、インジェクタ２７の下流側の配管ａ９が希釈器３４または配管ｃ４に接続されることで、配管ｃ４を流れるカソードオフガスの流れによって配管ａ９に対して負圧が発生することになり、インジェクタ２７の上流側と下流側との間で差圧が発生するので、インジェクタ２７からアノードオフガスを吐出させることが可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２５ 排出弁
２６ バッファタンク
２７ インジェクタ（燃料排出手段）
３４ 希釈器（希釈手段）
５０ ＥＣＵ（制御手段）
５１ 圧力センサ（圧力検知手段）
５２ 温度センサ（温度検知手段）
５３ 流量センサ（第２流量検知手段）
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４ 配管（燃料供給系）
ａ５ 配管（燃料循環系）
ａ６，ａ７，ａ８，ａ９ 配管（燃料排出系）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給系と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に戻す燃料循環系と、
前記燃料循環系から燃料オフガスを排出する燃料排出系と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料排出系に設けられ、インジェクタおよびポンプの少なくともひとつを含む燃料排出手段と、
前記燃料排出手段から排出された燃料オフガスを希釈する希釈手段と、
前記燃料排出手段を制御して当該燃料排出手段から排出された燃料オフガスを所定燃料ガス濃度を下回るように希釈してシステム外部に排出する希釈制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に燃料オフガスを排出する排出弁を備え、
前記制御手段は、前記排出弁および前記燃料排出手段を制御して希釈制御を行う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】
前記制御手段は、前記排出弁が開状態である場合、前記燃料排出手段の動作を制限することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力検知手段の圧力に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの流量を検知する第１流量検知手段を備え、
前記制御手段は、前記第１流量検知手段の流量に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの温度を検知する温度検知手段を備え、
前記制御手段は、前記温度に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスを貯留するバッファタンクを備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム
【請求項９】
前記希釈手段に導入される酸化剤ガスおよび／または酸化剤オフガスの流量を検出する第２流量検知手段を備え、
前記制御手段は、前記第２流量検知手段の検出値に基づいて前記燃料排出手段を制御することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、１周期時間当たりの開時間である開弁率に基づいて前記燃料排出手段を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
車両に搭載されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給系と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に戻す燃料循環系と、
前記燃料循環系から燃料オフガスを排出する燃料排出系と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料排出系に設けられ、インジェクタおよびポンプの少なくともひとつを含む燃料排出手段と、
前記燃料排出手段から排出された燃料オフガスを希釈する希釈手段と、
前記燃料排出手段を制御して当該燃料排出手段から排出された燃料オフガスを所定燃料ガス濃度を下回るように希釈してシステム外部に排出する希釈制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に燃料オフガスを排出する排出弁を備え、
前記制御手段は、前記排出弁および前記燃料排出手段を制御して希釈制御を行う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】
前記制御手段は、前記排出弁が開状態である場合、前記燃料排出手段の動作を制限することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの圧力を検知する圧力検知手段を備え、
前記制御手段は、前記圧力検知手段の圧力に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料排出系は、前記排出弁と前記燃料排出手段との間に、前記燃料オフガスの流量を検知する第１流量検知手段を備え、
前記制御手段は、前記第１流量検知手段の流量に基づいて前記排出弁および前記燃料排出手段の故障を検知することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスの温度を検知する温度検知手段を備え、
前記制御手段は、前記温度に基づいて前記燃料排出手段の動作量を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料排出系は、前記燃料排出手段の上流側に前記燃料オフガスを貯留するバッファタンクを備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム
【請求項９】
前記希釈手段に導入される酸化剤ガスおよび／または酸化剤オフガスの流量を検出する第２流量検知手段を備え、
前記制御手段は、前記第２流量検知手段の検出値に基づいて前記燃料排出手段を制御することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、１周期時間当たりの開時間である開弁率に基づいて前記燃料排出手段を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
車両に搭載されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−２５２７９６（Ｐ２０１２−２５２７９６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２２４０４（Ｐ２０１１−１２２４０４）
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【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２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月３１日（２０１１．５．３１）
【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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