(57)【要約】【課題】アノードガスの燃費を高く維持することができ、簡単な構造のエジェクタを用いてアノードガスへのアノードオフガスの混流量を増加させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２、供給流路３、供給弁３１、還流流路４、排出弁４１、ベンチュリ式の真空エジェクタ５及び電池制御装置７を備える。電池制御装置７の供給弁制御部７１は、燃料電池２に要求される要求発電量Ｗｒに応じた供給量のアノードガスＡ１を供給流路３へ供給し、供給弁３１を規定のサイクルタイムで繰り返し遮断位置から供給位置３０１に切り換える。排出弁制御部７２は、サイクルタイムにおける、供給弁３１が遮断位置にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２における燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置に切り換え可能である。【選択図】図１
2020191254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を含むアノードガス（Ａ１）が流れるアノード流路（２２）、カソードガス（Ｃ１）が流れるカソード流路（２３）、及び前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置された電解質膜（２１）を有し、前記電解質膜を介するアノードガスとカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池（２）と、
前記アノード流路の入口（２２１）に接続された供給流路（３）と、
前記供給流路に配置されて、前記供給流路へアノードガスを供給する供給位置（３０１）と、前記供給流路へのアノードガスの供給を遮断する遮断位置（３０２）とに切り換え可能な供給弁（３１）と、
前記アノード流路の出口（２２２）に接続されて、前記アノード流路を通過したアノードオフガスを前記供給流路における前記供給弁の下流側位置に還流させるための還流流路（４）と、
前記供給弁から供給されるアノードガスに、前記還流流路から還流するアノードオフガスを混流させて、前記供給流路へ流出させる、ベンチュリ式の真空エジェクタ（２５）と、
前記排出流路に配置されて、前記排出流路からアノードオフガスを排出するための排出位置（４０１）と、前記排出流路にアノードオフガスを保持するための保持位置（４０２）とに切り換え可能な排出弁（４１）と、
前記供給弁を前記供給位置と前記遮断位置との間で切り換える時期を制御するとともに、前記排出弁を前記排出位置と前記保持位置との間で切り換える時期を制御する制御装置（７）と、を備え、
前記制御装置は、
前記供給弁の前記供給位置における維持時間（Ｔ１）又は前記供給弁を前記遮断位置から前記供給位置に繰り返し切り換えるサイクルタイム（ＳＴ）を調整して、前記燃料電池への要求発電量（Ｗｒ）に応じた供給量のアノードガスを前記供給流路へ供給する供給弁制御部（７１）と、
濃度推定時において、複数回のサイクルにおける、前記供給弁による前記燃料電池への前記アノードガスの供給量の積算値、及び複数回のサイクルにおける、前記燃料電池における前記アノードガスの消費量の積算値に基づいて、前記アノードオフガスにおける燃料の濃度を推定するアノードオフガス推定部（７３）と、
前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記供給位置にある時間帯には、前記排出弁を前記保持位置に維持し、また、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯であって、前記濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度以上であるときには、前記排出弁を前記保持位置に維持し、かつ、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯であって、前記濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、前記排出弁を前記保持位置から前記排出位置に切り換え可能である排出弁制御部（７２）と、を有する、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
燃料を含むアノードガスが流れるアノード流路、カソードガスが流れるカソード流路、及び前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置された電解質膜を有し、前記電解質膜を介するアノードガスとカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記アノード流路の入口に接続された供給流路と、
前記供給流路に配置されて、前記供給流路へアノードガスを供給する供給位置と、前記供給流路へのアノードガスの供給を遮断する遮断位置とに切り換え可能な供給弁と、
前記アノード流路の出口に接続されて、前記アノード流路を通過したアノードオフガスを前記供給流路における前記供給弁の下流側位置に還流させるための還流流路と、
前記供給弁から供給されるアノードガスに、前記還流流路から還流するアノードオフガスを混流させて、前記供給流路へ流出させる、ベンチュリ式の真空エジェクタと、
前記還流流路に配置されて、前記還流流路からアノードオフガスを外部へ排出するための排出位置と、前記還流流路にアノードオフガスを保持するための保持位置とに切り換え可能な排出弁と、
前記供給弁を前記供給位置と前記遮断位置との間で切り換える時期を制御するとともに、前記排出弁を前記排出位置と前記保持位置との間で切り換える時期を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記供給弁の前記供給位置における維持時間又は前記供給弁を前記遮断位置から前記供給位置に繰り返し切り換えるサイクルタイムを調整して、前記燃料電池への要求発電量に応じた供給量のアノードガスを前記供給流路へ供給する供給弁制御部と、
濃度推定時において、前記燃料電池の前記アノード流路における圧力、前記供給流路における圧力、前記還流流路における圧力、及び前記還流流路における燃料の濃度の少なくとも一つに基づいて、アノードオフガスにおける燃料の濃度を推定するアノードガス推定部と、
前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記供給位置にある時間帯には、前記排出弁を前記保持位置に維持し、また、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯であって、前記濃度推定時において推定された燃料の濃度が規定濃度以上であるときには、前記排出弁を前記保持位置に維持し、かつ、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯であって、前記濃度推定時において推定された燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、前記排出弁を前記保持位置から前記排出位置に切り換え可能である排出弁制御部と、を有する、燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出弁制御部は、
前記燃料電池への前記要求発電量が規定発電量以下であるときに、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯に、前記排出弁を前記保持位置から前記排出位置に切り換え可能であり、
一方、前記燃料電池への前記要求発電量が前記規定発電量を超えるときに、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯に、前記排出弁を前記保持位置に維持する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出弁制御部は、
前記排出弁が、前記保持位置から前記排出位置に切り換わった時点から、再び前記保持位置から前記排出位置に切り換わる時点までの時間間隔を連続して測定し、
最新の前記時間間隔が前回又は前回以前の前記時間間隔よりも規定量を超えて短くなった場合には、前記排出弁を前記排出位置に維持する時間を長く変更し、
一方、最新の前記時間間隔が前回又は前回以前の前記時間間隔よりも規定量を超えて長くなった場合には、前記排出弁を前記排出位置に維持する時間を短く変更する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、燃料電池の電解質膜を介して、アノード流路に供給されたアノードガスと、カソード流路に供給されたカソードガスとの電気化学反応を生じさせて発電する。アノード流路には、カソードガスとの電気化学反応が行われた後のアノードオフガスが排出される排出流路が接続されている。そして、排出流路に排出されるアノードオフガスは、還流流路を介して再びアノード流路に循環されて再利用されることが多い。
【０００３】
例えば、アノードガスに水素が用いられ、カソードガスに空気が用いられる場合には、排出流路には、主に残存水素によって構成されるアノードオフガス中には、窒素、一酸化炭素等の不純物が蓄積される。そのため、蓄積された不純物を排出するために、排出弁によって定期的に排出流路を大気等に開放するようにしている。
【０００４】
また、例えば、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池にアノードガスとしての燃料ガスを供給するための供給流路と、燃料電池から排出されるアノードオフガスとしての燃料オフガスを供給流路に戻すための循環流路と、供給流路と循環流路との接続部に設けられたエジェクタと、循環流路内の燃料オフガスを排出するためのパージ弁とを備える。エジェクタは、ノズルと、ノズルに対して進退可能なニードルとを備え、循環流路内のガス圧力の変化に応じてニードルを移動させて、エジェクタによるガスの循環量を調整可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４９４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の燃料電池システムにおいては、パージ弁によって燃料オフガスを排出するタイミングについての工夫はなされていない。具体的には、供給流路から燃料電池への燃料ガスの供給が行われているときにも、パージ弁から外部へ燃料オフガスが排出されることがある。この場合、燃料ガスの一部が、燃料電池の発電に使用されることなくパージ弁から排出され、燃料電池システムの燃費を悪化させるおそれがある。
【０００７】
また、特許文献１の燃料電池システムにおけるエジェクタは、ガスの循環量を調整するためにニードルが移動する、流量可変式のものである。そのため、簡単な構造のエジェクタを用いて燃料オフガスの循環量を増加させるためには、更なる工夫が必要とされる。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、アノードガスの燃費を高く維持することができ、簡単な構造のエジェクタを用いてアノードガスへのアノードオフガスの混流量を増加させることができる燃料電池システムを提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、燃料を含むアノードガス（Ａ１）が流れるアノード流路（２２）、カソードガス（Ｃ１）が流れるカソード流路（２３）、及び前記アノード流路と前記カソード流路との間に配置された電解質膜（２１）を有し、前記電解質膜を介するアノードガスとカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池（２）と、
前記アノード流路の入口（２２１）に接続された供給流路（３）と、
前記供給流路に配置されて、前記供給流路へアノードガスを供給する供給位置（３０１）と、前記供給流路へのアノードガスの供給を遮断する遮断位置（３０２）とに切り換え可能な供給弁（３１）と、
前記アノード流路の出口（２２２）に接続されて、前記アノード流路を通過したアノードオフガスを前記供給流路における前記供給弁の下流側位置に還流させるための還流流路（４）と、
前記供給弁から供給されるアノードガスに、前記還流流路から還流するアノードオフガスを混流させて、前記供給流路へ流出させる、ベンチュリ式の真空エジェクタ（２５）と、
前記排出流路に配置されて、前記排出流路からアノードオフガスを排出するための排出位置（４０１）と、前記排出流路にアノードオフガスを保持するための保持位置（４０２）とに切り換え可能な排出弁（４１）と、
前記供給弁を前記供給位置と前記遮断位置との間で切り換える時期を制御するとともに、前記排出弁を前記排出位置と前記保持位置との間で切り換える時期を制御する制御装置（７）と、を備え、
前記制御装置は、
前記供給弁の前記供給位置における維持時間（Ｔ１）又は前記供給弁を前記遮断位置から前記供給位置に繰り返し切り換えるサイクルタイム（ＳＴ）を調整して、前記燃料電池への要求発電量（Ｗｒ）に応じた供給量のアノードガスを前記供給流路へ供給する供給弁制御部（７１）と、
濃度推定時において、複数回のサイクルにおける、前記供給弁による前記燃料電池への前記アノードガスの供給量の積算値、及び複数回のサイクルにおける、前記燃料電池における前記アノードガスの消費量の積算値に基づいて、前記アノードオフガスにおける燃料の濃度を推定するアノードオフガス推定部（７３）と、
前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記供給位置にある時間帯には、前記排出弁を前記保持位置に維持し、また、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯であって、前記濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度以上であるときには、前記排出弁を前記保持位置に維持し、かつ、前記サイクルタイムにおける、前記供給弁が前記遮断位置にある時間帯であって、前記濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、前記排出弁を前記保持位置から前記排出位置に切り換え可能である排出弁制御部（７２）と、を有する、燃料電池システム（１）にある。
【発明の効果】
【００１０】
前記一態様の燃料電池システムにおいては、アノードガスが供給されるサイクルタイムごとに、アノードオフガスを排出する場合と排出しない場合とを選択する。つまり、アノードオフガスの排出を行うタイミングをサイクルタイムに同期させるようにしている。
【００１１】
具体的には、供給弁制御部が規定のサイクルタイムで供給弁を遮断位置と供給位置との間で切り換える構成において、排出弁制御部は、供給弁が供給位置にある時間帯には、排出弁を保持位置に維持し、アノードオフガスが還流流路から外部へ排出されないようにする。また、排出弁制御部は、供給弁が遮断位置にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度以上であるときにも、排出弁を保持位置に維持し、アノードオフガスが還流流路から外部へ排出されないようにする。
【００１２】
これにより、アノードガスの供給制御が行われるサイクルタイムにおいて、アノードガスがアノード流路に供給されているときには、水素等の燃料の濃度が高いアノードガスがそのままアノードオフガスになることを抑制することができる。そのため、燃料の濃度が高いアノードオフガスが排出弁から排出されることを抑制することができる。その結果、燃料電池におけるアノードガスの燃費を高く維持することができる。
【００１３】
一方、排出弁制御部は、供給弁が遮断位置にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、排出弁を保持位置から排出位置に切り換える場合を適宜選択することができる。これにより、アノードオフガスに蓄積される不純物の濃度が高くなったと推定されるときには、アノードオフガスを還流流路から外部へ排出することができる。そのため、アノードオフガスにおける不純物の濃度が高くなって、不純物が燃料電池の発電に影響を及ぼすことを防止することができる。
【００１４】
また、排出弁によるアノードオフガスの排出を行うタイミングは、供給弁によるアノードガスの供給制御のサイクルタイムごとに管理することができる。そのため、供給弁によって燃料電池へアノードガスを供給するサイクルを停止させることなく、アノードオフガスに含まれる不純物を排出することができる。
【００１５】
さらに、アノードガスにアノードオフガスを還流させる還流流路が供給流路に接続される部位には、ベンチュリ式の真空エジェクタが配置されている。ベンチュリ式の真空エジェクタは、機械式のものであり、混流量を調整する機能は有していない。そのため、エジェクタの構造が簡単である。また、アノードガスへのアノードオフガスの混流量を増加させたい場合には、アノードオフガスの組成による密度を軽くすることが有効である。
【００１６】
アノードガスには、水素等の燃料が用いられ、燃料の密度は、アノードオフガスに含まれることになる窒素等の不純物の密度に比べて小さい（軽い）。そのため、アノードオフガスにおける燃料の濃度が高い方が、真空エジェクタにおける、アノードガスへのアノードオフガスの混流量を多くすることができる。
【００１７】
そこで、燃料制御装置は、排出弁制御部が、供給弁によるアノードガスの噴射サイクルごとに、排出弁によるアノードオフガスの排出を行うことができる構成を有する。つまり、供給弁によるアノードガスの噴射サイクルごとにアノードオフガスを排出することが可能であるため、アノードオフガスをより適切なタイミングで排出することができる。これにより、アノードオフガスにおける燃料の濃度をできるだけ高くし、アノードガスへのアノードオフガスの混流量を増加させることができる。
【００１８】
それ故、前記一態様の燃料電池システムによれば、アノードガスの燃費を高く維持することができ、簡単な構造のエジェクタを用いてアノードガスへのアノードオフガスの混流量を増加させることができる。
【００１９】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１にかかる、供給弁が供給位置にあるとともに排出弁が保持位置にある燃料電池システムを示す説明図。
【図２】実施形態１にかかる、供給弁が遮断位置にあるとともに排出弁が排出位置にある燃料電池システムを示す説明図。
【図３】実施形態１にかかる、燃料電池の内部を簡略的に示す説明図。
【図４】実施形態１にかかる、排出弁が保持位置に維持される場合の、インジェクタ及び排出弁の動作、並びにアノードオフガス中の各ガス成分の分圧の時間変化を示すグラフ。
【図５】実施形態１にかかる、排出弁が排出位置に切り換わる場合の、インジェクタ及び排出弁の動作、並びにアノードオフガス中の各ガス成分の分圧の時間変化を示すグラフ。
【図６】実施形態１にかかる、燃料電池システムの制御方法におけるメインルーチンを示すフローチャート。
【図７】実施形態１にかかる、燃料電池システムの制御方法における噴射ルーチンを示すフローチャート。
【図８】実施形態１にかかる、燃料電池システムの制御方法におけるフラグルーチンを示すフローチャート。
【図９】実施形態１にかかる、燃料電池システムの制御方法における排出ルーチンを示すフローチャート。
【図１０】実施形態１にかかる、他の燃料電池システムを示す説明図。
【図１１】実施形態２にかかる、燃料電池システムを示す説明図。
【図１２】実施形態２にかかる、他の燃料電池システムを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
前述した燃料電池システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態の燃料電池システム１は、図１〜図３に示すように、燃料電池２、供給流路３、供給弁３１、還流流路４、ベンチュリ式の真空エジェクタ５、排出弁４１及び電池制御装置７を備える。燃料電池２は、アノードガスＡ１が流れるアノード流路２２と、カソードガスＣ１が流れるカソード流路２３と、アノード流路２２とカソード流路２３との間に配置された電解質膜２１とを有する。燃料電池２は、電解質膜２１を介するアノードガスＡ１とカソードガスＣ１との電気化学反応によって発電するよう構成されている。
【００２２】
供給流路３は、アノード流路２２の入口２２１に接続されている。供給弁３１は、供給流路３に配置されており、供給流路３へアノードガスＡ１を供給する供給位置３０１と、供給流路３へのアノードガスＡ１の供給を遮断する遮断位置３０２とに切り換え可能である。還流流路４は、アノード流路２２の出口２２２に接続されており、アノード流路２２を通過したアノードオフガスＡ２を供給流路３における供給弁３１の下流側位置に還流させるものである。真空エジェクタ５は、供給弁３１から供給されるアノードガスＡ１に、還流流路４から還流するアノードオフガスＡ２を混流させて、供給流路３へ流出させるものである。
【００２３】
図１及び図２に示すように、排出弁４１は、還流流路４に配置されており、還流流路４からアノードオフガスＡ２を排出するための排出位置４０１と、還流流路４にアノードオフガスＡ２を保持するための保持位置４０２とに切り換え可能である。電池制御装置７は、供給弁３１を供給位置３０１と遮断位置３０２との間で切り換える時期を制御するとともに、排出弁４１を排出位置４０１と保持位置４０２との間で切り換える時期を制御するよう構成されている。
【００２４】
図４及び図５に示すように、電池制御装置７は、供給弁制御部７１、アノードオフガス推定部７３及び排出弁制御部７２を有する。供給弁制御部７１は、燃料電池２に要求される発電量である要求発電量Ｗｒに応じた供給量のアノードガスＡ１を供給流路３へ供給するよう構成されている。供給弁制御部７１は、供給弁３１の供給位置３０１における維持時間Ｔ１を調整し、供給弁３１を規定のサイクルタイムＳＴで繰り返し遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換えるよう構成されている。
【００２５】
アノードオフガス推定部７３は、濃度推定時において、複数回のサイクルにおける、供給弁３１による燃料電池２へのアノードガスＡ１の供給量の積算値、及び複数回のサイクルにおける、燃料電池２におけるアノードガスＡ１の消費量の積算値に基づいて、アノードオフガスＡ２における燃料の濃度を推定する。排出弁制御部７２は、サイクルタイムＳＴにおける、供給弁３１が供給位置３０１にある時間帯には、排出弁４１を保持位置４０２に維持するよう構成されている。
【００２６】
また、排出弁制御部７２は、サイクルタイムＳＴにおける、供給弁３１が遮断位置３０２にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２における燃料の濃度が規定濃度以上であるときには、排出弁４１を保持位置４０２に維持するよう構成されている。さらに、排出弁制御部７２は、サイクルタイムＳＴにおける、供給弁３１が遮断位置３０２にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換え可能である。
【００２７】
以下に、本形態の燃料電池システム１について詳説する。
図１及び図２に示すように、本形態の燃料電池システム１は、車両等の走行駆動源としてのモータ等に電力を供給するために用いられる。そして、車両の走行状態によって燃料電池２への要求発電量Ｗｒが変化する。車両の制御装置である車両制御装置７０は、燃料電池システム１の制御装置である電池制御装置７と電気的に接続されている。燃料電池２への要求発電量Ｗｒは、燃料電池２の負荷量を示し、車両制御装置７０から電池制御装置７への要求発電量Ｗｒとして決定される。電池制御装置７の供給弁制御部７１は、要求発電量Ｗｒに応じた供給量のアノードガスＡ１を供給流路３へ供給するよう、供給弁３１の供給位置３０１における維持時間Ｔ１を調整する。
【００２８】
（燃料電池２）
図３に示すように、本形態の燃料電池２においては、アノードガスＡ１に燃料としての水素が用いられ、カソードガスＣ１に空気が用いられる。燃料電池２は、燃料としての水素と、空気中の酸素とを電解質膜２１を介して電気化学的に反応させて、発電を行うものである。電解質膜２１は、水素プロトン（Ｈ+）を伝導させるものである。燃料電池２のアノード流路２２に供給される水素が、水素プロトンとなって電解質膜２１を伝導するときには、水素から放出される電子が電解質膜２１を伝導する。そして、電解質膜２１の両面に設けられた触媒層（電極層）２１１の間に電力が生じ、この電力が触媒層２１１同士の間から発電量として取り出される。カソード流路２３においては、アノード流路２２から電解質膜２１を伝導した水素プロトンが、カソード流路２３に供給される空気中の酸素と反応して、水が生成される。
【００２９】
燃料電池２においては、一対のセパレータ２４の間に、触媒層２１１が両面に設けられた電解質膜２１が配置されている。電解質膜２１と一方のセパレータ２４との間には、アノードガスＡ１が供給されるアノード流路２２が形成されており、電解質膜２１と他方のセパレータ２４との間には、カソードガスＣ１が供給されるカソード流路２３が形成されている。そして、電解質膜２１及び一対のセパレータ２４によって、燃料電池セル２０が形成されている。
【００３０】
また、燃料電池２は、複数の燃料電池セル２０が積層された燃料電池スタックによって構成されている。燃料電池スタックの一端には、アノードガスＡ１が流入するアノードダクト２５が配置されており、燃料電池スタックの他端には、アノードオフガスＡ２が流出するアノードダクト２５が配置されている。複数の燃料電池セル２０の各アノード流路は、燃料電池スタックの両側のアノードダクト２５に接続されている。
【００３１】
一方のアノードダクト２５には、アノードガスＡ１としての燃料が供給される供給流路３が接続されており、他方のアノードダクト２５には、アノードオフガスＡ２が排出される還流流路４が接続されている。アノードガスＡ１は、供給流路３及びアノードダクト２５から複数のアノード流路２２の入口２２１に分岐して流れ、複数のアノード流路２２の出口２２２からアノードダクト２５及び還流流路４に合流して流れる。なお、アノードオフガスＡ２とは各アノード流路２２を通過した後のアノードガスＡ１のことをいう。
【００３２】
また、燃料電池スタックの一端には、カソードガスＣ１が流入するカソードダクト２６が配置されており、燃料電池スタックの他端には、カソードオフガスＣ２が流出するカソードダクト２６が配置されている。複数の燃料電池セル２０の各カソード流路は、燃料電池スタックの両側のカソードダクト２６に接続されている。
【００３３】
一方のカソードダクト２６には、カソードガスＣ１としての空気が供給される空気供給流路６１が接続されており、他方のカソードダクト２６には、カソードオフガスＣ２が排出される空気排出流路６２が接続されている。カソードガスＣ１は、空気供給流路６１及びカソードダクト２６から複数のカソード流路２３の入口２３１に分岐して流れ、複数のカソード流路２３の出口２３２からカソードダクト２６及び空気排出流路６２に合流して流れる。なお、カソードオフガスＣ２とは各カソード流路２３を通過した後のカソードガスＣ１のことをいう。
【００３４】
（供給流路３，供給弁３１）
図１及び図２に示すように、供給流路３は、燃料供給源としての燃料タンク３２に接続されている。供給流路３に配置された供給弁３１は、燃料の供給圧力を調整するためのレギュレータ３１１と、供給流路３へ間欠的（断続的）に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）３１２とによって構成されている。インジェクタ３１２は、供給流路３における、レギュレータ３１１の配置箇所の下流側の位置に配置されている。インジェクタ３１２は、電池制御装置７の供給弁制御部７１による制御を受けて、供給位置３０１にあるときに供給流路３内へ燃料を噴射し、遮断位置３０２にあるときに燃料の噴射を停止する。
【００３５】
供給弁制御部７１において、供給弁３１の供給位置３０１における維持時間Ｔ１は、インジェクタ３１２による燃料の噴射時間として設定される。そして、供給弁制御部７１は、燃料電池２への要求発電量Ｗｒに応じて、インジェクタ３１２による燃料の噴射時間を調整することが可能である。燃料電池２への要求発電量Ｗｒが大きくなるほど、インジェクタ３１２による燃料の噴射時間を長くすることができる。レギュレータ３１１による燃料の供給圧力は、インジェクタ３１２の噴射能力等に応じて適宜設定する。
【００３６】
（還流流路４、排出弁４１，気液分離器４２）
図１及び図２に示すように、還流流路４は、アノードオフガスＡ２を供給流路３における供給弁３１の下流側位置に還流させるよう構成されている。還流流路４は、アノードオフガスＡ２をアノードガスＡ１に混流させる。還流流路４の途中には、気液分離器４２が配置されている。還流流路４の一部は、各アノード流路２２の出口２２２に繋がるアノードダクト２５と、気液分離器４２の上部に開口された気体入口とに接続されている。また、還流流路４の残部は、気液分離器４２の上部に開口された気体出口と、後述する真空エジェクタ５２の真空ポート５２１とに接続されている。排出弁４１は、気液分離器４２の下部に開口された液体出口に接続されている。
【００３７】
気液分離器４２においては、アノードオフガスＡ２における水素等の気体が気相として分離され、アノードオフガスＡ２における水等の液体が液相として分離される。そして、気液分離器４２から供給流路３の真空エジェクタ５２へは、主に気相を構成する気体が還流される。
【００３８】
また、排出弁４１が保持位置４０２から排出位置４０１に切り換わり、還流流路４の一部としての気液分離器４２を開放するときには、気液分離器４２の液相を構成する水等、気液分離器４２の気相の下層側に位置する窒素等が、排出弁４１から外部へ排出される。そして、排出弁４１が気液分離器４２を開放した後には、アノードオフガスＡ２における水素の濃度が高くなる。
【００３９】
（真空エジェクタ５）
図１及び図２に示すように、供給流路３における、還流流路４の接続位置には、供給弁３１から供給されるアノードガスＡ１に、還流流路４から還流されるアノードオフガスＡ２を混流させて、供給流路３の燃料電池２側へ流出させるベンチュリ式の真空エジェクタ５が配置されている。真空エジェクタ５は、同心状に連なる状態で並ぶノズル５１及びディフューザ５２を有し、両者の間に真空状態となる真空ポート５２１を有する。そして、真空エジェクタ５においては、ノズル５１の供給ポート５１１から吸い込まれる第１気体が、ディフューザ５２の排気ポート５２２から吐き出される際に、真空ポート５２１に導かれる第２気体を巻き込み、第１気体に第２気体を混合させる。本形態においては、第１気体にアノードガスＡ１が用いられ、第２気体にアノードオフガスＡ２が用いられる。
【００４０】
（空気供給流路６１，空気排出流路６２）
図１及び図２に示すように、燃料電池２のカソード流路２３には、カソード流路２３へカソードガスＣ１としての空気を供給するための空気供給流路６１と、カソード流路２３からカソードオフガスＣ２を排出するための空気排出流路６２とが接続されている。空気供給流路６１には、空気供給流路６１に空気を吸い込む空気供給源としてのファン６１１が配置されている。カソードオフガスＣ２は、空気中の酸素の濃度が低下したものであり、大気中に排気される。
【００４１】
（電池制御装置７）
図１及び図２に示すように、電池制御装置７の供給弁制御部７１は、インジェクタ３１２を既定のサイクルタイムＳＴで遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換えるよう構成されている。インジェクタ３１２のサイクルタイムＳＴは、インジェクタ３１２の噴射周期ということができる。供給弁制御部７１は、インジェクタ３１２を供給位置３０１に維持する維持時間Ｔ１、換言すればインジェクタ３１２によるアノードガスＡ１の噴射時間を決定するよう構成されている。電池制御装置７の排出弁制御部７２は、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換える時期を決定するよう構成されている。また、排出弁制御部７２は、排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間、換言すれば排出弁４１から外部へのアノードオフガスＡ２の排出時間を決定するよう構成されている。
【００４２】
電池制御装置７は、インジェクタ３１２からの水素の噴射量、換言すれば燃料電池２への水素の供給量と、燃料電池２における発電量とに基づいて、アノードオフガスＡ２における水素の濃度を推定するアノードオフガス推定部７３を有する。排出弁制御部７２は、アノードオフガス推定部７３からの情報を利用して、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換える時期を決定するよう構成されている。排出弁制御部７２は、アノードオフガス推定部７３によるアノードオフガスＡ２中の水素の濃度が規定値よりも低い状態にあるときには、供給弁制御部７１によってインジェクタ３１２を遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換えるサイクルタイムＳＴと同期して、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換えることが可能である。
【００４３】
燃料電池２のアノード側の触媒層２１１においては、水素ガスが水素プロトンと電子に分解される反応、すなわち、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応式によって表される。燃料電池２のカソード側の触媒層２１１においては、酸素ガスと水素プロトンと電子が水を生成する反応、すなわち、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応式によって表される。また、燃料電池２の負荷としての要求発電量Ｗｒに応じた水素分子の消費量から、水素の消費モル量が算出される。
【００４４】
供給弁制御部７１は、燃料電池２への要求発電量Ｗｒから求められる水素の消費モル量に基づいてインジェクタ３１２による水素の噴射量を決定するよう構成されている。また、インジェクタ３１２による水素の噴射量は、供給弁制御部７１によってインジェクタ３１２を供給位置３０１に維持する維持時間Ｔ１を調整することによって調整される。換言すれば、インジェクタ３１２による水素の噴射量は、インジェクタ３１２を遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換えてから再び遮断位置３０２に切り換えるまでの時間によって調整される。
【００４５】
（インジェクタ３１２の噴射サイクル）
図４及び図５は、インジェクタ３１２及び排出弁４１が開閉するタイミングと、還流流路４におけるアノードオフガスＡ２の圧力の変化とを、インジェクタ３１２がアノードガスＡ１としての水素を噴射するサイクル（単に、噴射サイクルという。）において示す。インジェクタ３１２の噴射サイクルとは、インジェクタ３１２の状態が遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換わるサイクルのことをいう。また、噴射サイクルの時間間隔をサイクルタイムＳＴという。
【００４６】
図４は、インジェクタ３１２の噴射サイクルにおいて、排出弁４１が保持位置４０２に維持される場合を示す。図５は、インジェクタ３１２の噴射サイクルにおいて、排出弁４１が保持位置４０２から排出位置４０１に切り換わる場合を示す。
【００４７】
図４において、インジェクタ３１２が遮断位置３０２から供給位置３０１に所定の維持時間Ｔ１だけ切り換わった後には、アノードオフガスＡ２の全体の圧力Ｐが上昇する。特に、インジェクタ３１２が供給位置３０１に切り換わった後、アノードオフガスＡ２中のアノードガスＡ１の成分である水素ガス（燃料）の分圧Ｐ１が急激に上昇する。また、水素ガスの分圧Ｐ１が最大になった後、アノードオフガスＡ２中の窒素ガス等の不要ガス（不純物）の分圧Ｐ２も最大になる。その後、水素ガスの分圧Ｐ１及び不要ガスの分圧Ｐ２が徐々に減少する。そして、インジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴごとに、インジェクタ３１２が遮断位置３０２から供給位置３０１に所定の維持時間Ｔ１だけ切り換わる。また、インジェクタ３１２が供給位置３０１に切り換わるごとに、アノードオフガスＡ２の全体の圧力Ｐが徐々に増加していく。
【００４８】
また、図５において、アノードオフガスＡ２の全体の圧力Ｐが低下する過程において、排出弁４１が保持位置４０２から排出位置４０１に所定の維持時間Ｔ２だけ切り換わるときには、アノードオフガスＡ２の全体の圧力Ｐが下降する。アノードオフガスＡ２中の不要ガスの分圧Ｐ２が下降するとともに、アノードオフガスＡ２中の水素ガスの分圧Ｐ１も下降する。その後、インジェクタ３１２が供給位置３０１に切り換わるごとに、アノードオフガスＡ２の全体の圧力Ｐが徐々に増加していく。
【００４９】
図１及び図２に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２の発電量を検出する発電量測定器２７を備えている。そして、電池制御装置７のアノードオフガス推定部７３は、インジェクタ３１２によるアノードガスＡ１の噴射量に基づく水素供給量から、発電量測定器２７による発電量に基づく水素消費量を差し引いて、還流流路４におけるアノードオフガスＡ２に残存する残存水素量を推定することができる。
【００５０】
また、後述する図１１に示すように、燃料電池システム１は、排出流路４におけるアノードオフガスＡ２中の水素の濃度を検出する濃度測定器４４を備えていてもよい。この場合には、アノードオフガス推定部７３は、濃度測定器４４による水素の濃度から、排出流路４におけるアノードオフガスＡ２の残存水素量を検知することができる。濃度測定器４４がインジェクタ３１２の噴射速度に対して十分な応答性を持っていない場合には、濃度測定器４４の測定値の平均値に基づいて水素の濃度を検知することができる。また、濃度測定器４４による水素の濃度の測定値は、参考として使用することもできる。
【００５１】
燃料電池２が発電する際には、アノード流路２２からカソード流路２３へ水素が若干漏洩することがあり、また、カソード流路２３からアノード流路２２へ空気が若干漏洩することがある。特に、カソード流路２３からアノード流路２２へ漏洩した空気中の窒素等は、アノードオフガスＡ２中に残存する不要ガスとなる。この不要ガスの存在により、アノードオフガスＡ２における水素の濃度が低下し、アノードオフガスＡ２が真空エジェクタ５によって水素に混合されるときに、アノードガスＡ１における水素の濃度を低下させる要因となる。
【００５２】
排出弁制御部７２は、アノードオフガスＡ２に窒素等が混入することによって、アノードオフガス推定部７３によって推定されるアノードオフガスＡ２における水素の濃度が規定値よりも低下したと判断するときには、インジェクタ３１２が遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換わるサイクルタイムＳＴに同期して、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換えることができる。排出弁制御部７２は、排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間を適宜決定することができる。
【００５３】
また、排出弁制御部７２が排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１へ切り換えるタイミングは、インジェクタ３１２の噴射サイクルにおいて、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯であって、インジェクタ３１２が供給位置３０１に切り換わる所定時間前からインジェクタ３１２が供給位置３０１に切り換わる直前までとすることができる。排出弁制御部７２は、排出弁４１を排出位置４０１に維持する維持時間Ｔ２を、インジェクタ３１２の噴射サイクルの終了時から遡った所定の時点から、インジェクタ３１２の噴射サイクルの終了時までの時間帯に設定することができる。
【００５４】
（排出弁制御部７２の具体的な制御）
本形態の排出弁制御部７２は、燃料電池システム１を運転する際に、所定のサンプリングタイム（時間間隔）で設定された濃度推定時において、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度を推定する。より具体的には、排出弁制御部７２は、燃料電池システム１の運転中に、供給弁３１を構成するインジェクタ３１２による燃料電池２へのアノードガスＡ１の供給量（インジェクタ３１２によるアノードガスＡ１の噴射量）の積算値を算出する。また、排出弁制御部７２は、燃料電池システム１の運転中に、燃料電池２におけるアノードガスＡ１の消費量（燃料電池２における発電量）の積算値を算出する。
【００５５】
そして、アノードオフガス推定部７３は、濃度推定時において、複数回のサイクルにおける、アノードガスＡ１の供給量の積算値、及び複数回のサイクルにおける、アノードガスＡ１の消費量の積算値に基づいて、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度を推定する。換言すれば、アノードオフガス推定部７３は、濃度推定時において、アノードガスＡ１の供給量の積算値からアノードガスＡ１の消費量の積算値を差し引いて、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１としての水素の濃度を推定する。
【００５６】
また、排出弁制御部７２は、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度が規定濃度以上であるときには、サイクルタイムＳＴにおける、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を保持位置４０２に維持する。一方、排出弁制御部７２は、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度が規定濃度よりも低いときには、サイクルタイムＳＴにおける、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を排出位置４０１に切り換えることができる。アノードガスＡ１の規定濃度は、例えば、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１としての水素が６５体積％又は６０体積％占める状態とすることができる。
【００５７】
電池制御装置７は、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度が規定濃度よりも低いときには、アノードオフガスＡ２における窒素等の不要ガスの混入割合が多くなったと判断することができる。このときには、排出弁４１を排出位置４０１に切り換えることにより、アノードオフガスＡ２中のアノードガスＡ１としての水素が排出される可能性を低くして、アノードオフガスＡ２中の不要ガスを排出弁４１から排出することができる。
【００５８】
（要求発電量Ｗｒを考慮した排出弁４１の切り換え）
排出弁制御部７２は、燃料電池２への要求発電量Ｗｒが規定発電量以下であるときに、インジェクタ３１２のサイクルタイムＳＴにおける、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を排出位置４０１に切り換え可能に構成することができる。また、排出弁制御部７２は、燃料電池２への要求発電量Ｗｒが規定発電量を超えるときに、インジェクタ３１２のサイクルタイムＳＴにおける、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を保持位置４０２に維持するよう構成することができる。規定発電量は、例えば、燃料電池２の最大発電量の５０％、３０％、２０％等として設定することができる。
【００５９】
燃料電池システム１において、燃料電池２への要求発電量Ｗｒが規定発電量以下になるときには、インジェクタ３１２から燃料電池２へのアノードガスＡ１の供給量が少なくなる。このときには、排出弁４１を排出位置４０１に切り換えることにより、アノードオフガスＡ２中のアノードガスＡ１としての水素が排出される可能性を低くして、アノードオフガスＡ２中の不要ガスを排出弁４１から排出することができる。
【００６０】
また、排出弁制御部７２は、燃料電池２の要求発電量Ｗｒが、例えば燃料電池２の最大発電量の２０％、１０％未満になるときには、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を保持位置４０２に維持するよう構成することができる。このときには、燃料電池２へのアノードガスＡ１としての水素の供給量が少なくなり過ぎないように、意図的にアノードガスＡ１の供給量を多くすることが考えられる。そして、アノードガスＡ１が不足することに起因する燃料電池２の劣化が生じないようにする。
【００６１】
（排出弁４１の排出位置４０１での維持時間Ｔ２の調整）
また、排出弁４１によってアノードオフガスＡ２を排出するために、排出弁４１を排出位置４０１に維持する維持時間Ｔ２は、前回の排出時の維持時間Ｔ２を考慮して調整することができる。排出弁制御部７２は、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度の大きさに基づいて、排出弁４１を排出位置４０１に切り換えた後に、この排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間を調整することができる。
【００６２】
具体的には、排出弁制御部７２は、排出弁４１が保持位置４０２から排出位置４０１に切り換わった時点から、再び保持位置４０２から排出位置４０１に切り換わる時点までの時間間隔を連続して測定する。この時間間隔は、インジェクタ３１２の複数回の噴射サイクルにおいて、排出弁４１によってアノードオフガスＡ２が排出された前回の時点から、排出弁４１によってアノードオフガスＡ２が排出される今回の時点までの時間間隔のことを示す。
【００６３】
そして、排出弁制御部７２は、最新（今回）の時間間隔が前回の時間間隔よりも規定量を超えて短くなった場合には、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換えたときに、排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間を規定量だけ長く変更する。一方、排出弁制御部７２は、最新（今回）の時間間隔が前回の時間間隔よりも規定量を超えて長くなった場合には、排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間を規定量だけ短く変更する。なお、排出弁制御部７２は、最新の時間間隔を前回の時間間隔と比較する代わりに、最新の時間間隔を前回以前の時間間隔と比較することもできる。
【００６４】
排出弁４１が排出位置４０１に切り換わる時間間隔が短くなるときには、燃料電池システム１においては、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度が低くなりやすい状態にあり、アノードオフガスＡ２における不純物の濃度が高くなりやすい状態にある。そのため、排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間を長く変更して、アノードオフガスＡ２の排出量を多くする。
【００６５】
一方、排出弁４１が排出位置４０１に切り換わる時間間隔が長くなるときには、燃料電池システム１においては、アノードオフガスＡ２におけるアノードガスＡ１の濃度が低くなりにくい状態にあり、アノードオフガスＡ２における不純物の濃度が高くなりにくい状態にある。そのため、排出弁４１を排出位置４０１に維持する時間を短く変更して、アノードオフガスＡ２の排出量を少なくする。
【００６６】
また、排出弁４１を排出位置４０１に維持する維持時間（排出弁４１の開時間）Ｔ２は、燃料電池システム１の循環系、すなわち還流流路４の容積を考慮して決定することが好ましい。還流流路４の容積が大きいほど、維持時間Ｔ２を長くする必要が生じる。
【００６７】
また、１回の維持時間Ｔ２を短くし、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換える回数が多くなるようにすることができる。排出弁４１を排出位置４０１にすること、換言すれば排出弁４１からのアノードオフガスＡ２の排出は、２回以上のインジェクタ３１２の噴射サイクルにおいて、連続して行うことができる。
【００６８】
また、アノード流路２２、供給流路３等におけるアノードガスＡ１の圧力の目標値と、アノード流路２２、供給流路３等における実際のアノードガスＡ１の圧力とを比較して、排出弁４１の排出位置４０１における維持時間Ｔ２、及び排出弁４１を排出位置４０１に切り換える回数の少なくとも一方を調整することができる。
【００６９】
（燃料電池システム１の制御方法）
燃料電池システム１の制御方法について、図６〜図９のフローチャートを参照して説明する。
まず、燃料電池システム１の電池制御装置７は、噴射ルーチンを実行する（図６のステップＳ１０１）。噴射ルーチンにおいては、燃料電池システム１の電池制御装置７は、車両制御装置７０等から燃料電池２への要求発電量Ｗｒの信号を受け取る（図７のステップＳ１１１）。このとき、電池制御装置７は、要求発電量Ｗｒが、例えば最大発電量の１０％である規定発電量よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１１２）。
【００７０】
そして、要求発電量Ｗｒが規定発電量よりも小さいときには、供給弁制御部７１は、燃料電池２を劣化から保護するために、水素の噴射時間を要求発電量Ｗｒに応じた長さよりも長く設定する（ステップＳ１１３）。このときには、排出弁制御部７２は、アノードオフガスＡ２を排出するか否かが設定される排出フラグをオフにする（ステップＳ１１４）。要求発電量Ｗｒが規定発電量よりも小さい間は、排出フラグが常にオフの状態にあり、アノードオフガスＡ２中の水素が排出されず、燃料電池２が劣化から保護される。
【００７１】
一方、ステップＳ１１２において、要求発電量Ｗｒが規定発電量以上であるときには、供給弁制御部７１は、水素の噴射時間を要求発電量Ｗｒに応じた長さに設定する（ステップＳ１１５）。なお、排出弁制御部７２は、排出フラグがオフになっているときには、排出弁４１を保持位置４０２に維持し、排出フラグがオンになっているときには、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換えることができる。なお、燃料電池システム１の起動時には、排出フラグがオフになっている。
【００７２】
次いで、供給弁制御部７１は、インジェクタ３１２を、設定された噴射時間だけ遮断位置３０２から供給位置３０１に切り換えて、インジェクタ３１２から水素を噴射させる（ステップＳ１１６）。また、インジェクタ３１２から水素の噴射が開始されるときには、電池制御装置７は、水素の噴射が開始された時点からの経過時間を計測する（ステップＳ１１７）。この経過時間は、図４及び図５に示すように、インジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴを管理するためのものである。
【００７３】
また、排出弁制御部７２は、インジェクタ３１２からの水素の噴射量（燃料電池２への水素の供給量）を積算する（ステップＳ１１８）。また、排出弁制御部７２は、発電量測定器２７による発電量に基づいて燃料電池２における水素の消費量を積算する（ステップＳ１１９）。
【００７４】
次いで、電池制御装置７は、経過時間がインジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴの所定時間前になるまで待機する（ステップＳ１２０）。そして、経過時間がインジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴの所定時間前になったときには、電池制御装置７は、排出ルーチンを実行する（ステップＳ１２１）。燃料電池システム１の起動後、時間の経過が短いときには、排出フラグはオフであるため、排出ルーチンの説明は後で行う。次いで、電池制御装置７は、経過時間がインジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴになるまで待機する（ステップＳ１２２）。
【００７５】
経過時間がインジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴになったときには、電池制御装置７は、インジェクタ３１２からの水素の噴射回数が既定のサイクル数になったか否かを判定する（ステップＳ１０２）。そして、電池制御装置７は、インジェクタ３１２からの水素の噴射回数が既定のサイクル数になるまで、噴射ルーチン（ステップＳ１０１）を繰り返す。一方、インジェクタ３１２からの水素の噴射回数が既定のサイクル数になったときには、電池制御装置７は、フラグルーチン（ステップＳ１０３）を実行する。
【００７６】
フラグルーチンにおいては、排出弁制御部７２は、水素の噴射量の積算値から水素の消費量の積算値を差し引いて、アノード流路２２から還流流路４に流れるアノードオフガスＡ２における水素の濃度を推定する（図８のステップＳ１３１）。次いで、排出弁制御部７２は、アノードオフガスＡ２における水素の濃度の推定量が規定濃度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３２）。アノードオフガスＡ２における水素の濃度の推定量が規定濃度以上であるときには、排出弁制御部７２は、排出フラグをオフのまま維持する。
【００７７】
排出フラグがオフである場合には、排出弁制御部７２は、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換えない。この場合には、アノードオフガスＡ２における水素の濃度の推定量が規定濃度以上であり、アノードオフガスＡ２における水素の割合が多いため、排出弁４１を開かずにアノードオフガスＡ２中の水素を保持することができる。
【００７８】
一方、ステップＳ１３２において、アノードオフガスＡ２における水素の濃度の推定量が規定濃度未満であるときには、排出弁制御部７２は、アノードオフガスＡ２を排出するか否かを設定する排出フラグをオンにする（ステップＳ１３３）。フラグルーチンが実行された後には、電池制御装置７は、インジェクタ３１２からの水素の噴射回数が既定のサイクル数になるまで、噴射ルーチン（ステップＳ１０１）を繰り返し実行する。
【００７９】
噴射ルーチン（ステップＳ１０１）の排出ルーチン（ステップＳ１２１）においては、電池制御装置７は、排出フラグがオンになっているか否かを判定する（図９のステップＳ１４１）。そして、排出フラグがオンになっているときには、排出弁制御部７２は、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に所定の維持時間Ｔ２だけ切り換える（ステップＳ１４２）。このとき、経過時間は、インジェクタ３１２の噴射のサイクルタイムＳＴの所定時間前にあり、排出弁４１は、インジェクタ３１２の噴射サイクルが終了する所定時間前から排出位置４０１に切り換わる。排出弁４１が排出位置４０１に切り換わったことにより、気液分離器４２内のアノードオフガスＡ２に含まれる不要ガス、換言すれば液相中の水、気相中の窒素等が、排出弁４１から排出される。また、このときには、アノードオフガスＡ２における水素の濃度の推定量が規定濃度未満であるため、アノードオフガスＡ２中の水素が排出されにくくすることができる。
【００８０】
また、排出弁４１が排出位置４０１から保持位置４０２に戻った後には、排出弁制御部７２は、排出フラグをオフに戻す（ステップＳ１４３）。また、排出弁制御部７２は、インジェクタ３１２からの水素の噴射量の積算値をゼロにリセットし（ステップＳ１４４）、発電量測定器２７による発電量に基づく水素の消費量の積算値をゼロにリセットする（ステップＳ１４５）。
【００８１】
その後、図６のメインルーチンにおいて、燃料電池システム１の電池制御装置７が車両制御装置７０から停止信号を受け取るまでは（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４が繰り返される。
【００８２】
（作用効果）
本形態の燃料電池システム１においては、アノードガスＡ１が供給されるサイクルタイムＳＴごとに、アノードオフガスＡ２を排出する場合と排出しない場合とを選択する。つまり、アノードオフガスＡ２の排出を行うタイミングをサイクルタイムＳＴに同期させるようにしている。
【００８３】
具体的には、供給弁制御部７１が規定のサイクルタイムＳＴでインジェクタ３１２を遮断位置３０２と供給位置３０１との間で切り換える構成において、排出弁制御部７２は、インジェクタ３１２が供給位置３０１にある時間帯には、排出弁４１を保持位置４０２に維持し、アノードオフガスＡ２が還流流路４から外部へ排出されないようにする。また、排出弁制御部７２は、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２における燃料の濃度が規定濃度以上であるときにも、排出弁４１を保持位置４０２に維持し、アノードオフガスＡ２が還流流路４から外部へ排出されないようにする。
【００８４】
これにより、アノードガスＡ１の供給制御が行われるサイクルタイムＳＴにおいて、アノードガスＡ１がアノード流路２２に供給されているときには、水素等の燃料の濃度が高いアノードガスＡ１がそのままアノードオフガスＡ２になることを抑制することができる。そのため、燃料の濃度が高いアノードオフガスＡ２が排出弁４１から排出されることを抑制することができる。その結果、燃料電池２におけるアノードガスＡ１の燃費を高く維持することができる。
【００８５】
一方、排出弁制御部７２は、インジェクタ３１２が遮断位置３０２にある時間帯であって、濃度推定時において推定されたアノードオフガスにおける燃料の濃度が規定濃度未満であるときには、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換える場合を適宜選択することができる。これにより、アノードオフガスＡ２に蓄積される不純物の濃度が高くなったと推定されるときには、アノードオフガスＡ２を還流流路４から外部へ排出することができる。そのため、アノードオフガスＡ２における不純物の濃度が高くなって、不純物が燃料電池２の発電に影響を及ぼすことを防止することができる。また、不純物の濃度が高いアノードオフガスＡ２が循環経路４から供給流路３に循環されることを抑制することができる。
【００８６】
また、排出弁４１によるアノードオフガスＡ２の排出を行うタイミングは、インジェクタ３１２によるアノードガスＡ１の供給制御のサイクルタイムＳＴごとに管理することができる。そのため、インジェクタ３１２によって燃料電池２へアノードガスＡ１を供給するサイクルを停止させることなく、アノードオフガスＡ２に含まれる不純物を排出することができる。
【００８７】
アノードオフガスＡ２の排出が行うタイミングをインジェクタ３１２の噴射サイクルに同期して行うことが発想されたのは、アノードオフガスＡ２における水素分圧が、高速で計測可能になったことに起因している。高速での水素分圧の計測は、ラマン散乱光計測を行うことによって可能になった。ラマン散乱光計測は、分子に光を当てると、レイリー散乱が観測されるとともに、波長が変調した光であるラマン散乱光も観測される。
【００８８】
波長の変調は、種々の分子に固有の振動エネルギーに応じて生じる。そのため、分子に光が当たる際のラマン散乱光を計測することにより、光が当たった分子の種類を知ることができる。例えば、水素分子に３５５ｎｍの光を当てたときには、４１６ｎｍのラマン散乱光が観測される。
【００８９】
また、ラマン散乱光の強度（輝度）は、計測対象ガスにおける特定の分子の密度、すなわち計測対象ガスにおける特定の分子の分圧に比例する。そのため、ラマン散乱光を計測することにより、計測対象ガスにおける、光が当たった分子の分圧を知ることができる。
【００９０】
ラマン散乱光計測は、高速での分圧の計測を可能にするものである。そして、ラマン散乱光計測を、アノードオフガスＡ２における水素分圧の計測に利用したことにより、インジェクタ３１２の噴射サイクルにおいて、アノードガスＡ２における水素分圧の変化の仕方を観測することができた。これにより、燃料電池２においては、インジェクタ３１２の噴射周期（開閉の動作）に合わせて、水素の消費による水素分圧の変動があることが初めて認められた。
【００９１】
本形態の燃料電池システムは、このような水素分圧を高速で計測する技術が成立したことに伴って、排気弁４１を開けるタイミングを、インジェクタ３１２の噴射サイクルに応じて設定することが有効であることを見出したものである。
【００９２】
さらに、アノードガスＡ１にアノードオフガスＡ２を還流させる還流流路４が供給流路３に接続される部位には、ベンチュリ式の真空エジェクタ５が配置されている。ベンチュリ式の真空エジェクタ５は、機械式のものであり、混流量を調整する機能は有していない。そのため、真空エジェクタ５の構造が簡単である。
【００９３】
また、真空エジェクタ５においては、流体の体積によって混流量が決まるのではなく、流体の質量によって混流量が決まる。換言すれば、真空エジェクタ５は、一定の質量流量の流体を他の流体に混流することができる。そのため、混流させる流体としてのアノードオフガスＡ２の密度を小さくすることにより、アノードオフガスＡ２の混流量を増やすことができる。換言すれば、アノードガスＡ１へのアノードオフガスＡ２の混流量を増加させたい場合には、アノードオフガスＡ２の組成による密度を軽くすることが有効である。
【００９４】
アノードガスＡ１には、水素等の燃料が用いられ、燃料の密度は、アノードオフガスＡ２に含まれることになる窒素等の不純物の密度に比べて小さい（軽い）。そのため、アノードオフガスＡ２における燃料の濃度が高い方が、真空エジェクタ５における、アノードガスＡ１へのアノードオフガスＡ２の混流量を多くすることができる。
【００９５】
そこで、燃料制御装置７は、排出弁制御部７２が、インジェクタ３１２によるアノードガスＡ１の噴射サイクルごとに、排出弁４１によるアノードオフガスＡ２の排出を行うことができる構成を有する。つまり、インジェクタ３１２によるアノードガスＡ１の噴射サイクルごとにアノードオフガスＡ２を排出することが可能であるため、アノードオフガスＡ２をより適切なタイミングで排出することができる。これにより、アノードオフガスＡ２における燃料の濃度をできるだけ高くし、アノードガスＡ１へのアノードオフガスＡ２の混流量を増加させることができる。
【００９６】
それ故、本形態の燃料電池システム１によれば、アノードガスＡ１の燃費を高く維持することができ、簡単な構造の真空エジェクタ５を用いてアノードガスＡ１へのアノードオフガスＡ２の混流量を増加させることができる。
【００９７】
供給弁制御部７１は、燃料電池２への要求発電量Ｗｒに応じて、インジェクタ３１２の供給位置３０１における維持時間Ｔ１を調整する代わりに、インジェクタ３１２を遮断位置３０２から供給位置３０１に繰り返し切り換えるサイクルタイムＳＴ、換言すればインジェクタ３１２の噴射周期を調整することもできる。この場合には、供給弁制御部７１は、インジェクタ３１２による燃料の噴射のサイクルタイムＳＴを長くするほど、要求発電量Ｗｒに応じたインジェクタ３１２の燃料の噴射量を少なくすることができる。また、供給弁制御部７１は、燃料電池２への要求発電量Ｗｒに応じて、インジェクタ３１２の供給位置３０１における維持時間Ｔ１を調整するとともに、インジェクタ３１２の燃料の噴射のサイクルタイムＳＴを調整することもできる。
【００９８】
また、図１０に示すように、排出流路４には、気液分離器４２を配置しないこともできる。この場合には、排出流路４の途中に排出弁４１を配置することができる。この場合には、排出流路４から分岐して排出弁４１に繋がる配管４５中に水等の液体が貯留されるようにしてもよい。また、排出流路４から供給流路３へは、燃料とともに水分が還流されてもよい。
【００９９】
また、アノードガスＡ１の湿度が低くなると、燃料電池２に抵抗過電圧と呼ばれる現象が生じ、燃料電池２の発電性能が低下するおそれがある。特に、燃料電池２を高温条件下、低負荷条件下等において動作させるときには、燃料電池２を抵抗過電圧等の現象から保護するために、排出弁４１からアノードオフガスＡ２中の不純物の排出を適切に行うことができる。そして、アノードオフガスＡ２における水素の濃度を高めることにより、アノードガスＡ１へのアノードオフガスＡ２の混流量を多くして、アノードガスＡ１の湿度を適切に保つことができる。なお、アノードオフガスＡ２中には、燃料電池２における電気化学反応によって生じた水蒸気が含まれる。
【０１００】
また、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換えてアノードオフガスＡ２を排出する時間帯は、燃料電池システム１の運転時間、燃料電池２の負荷等を考慮した特定の条件下においてのみ定めることができる。
【０１０１】
＜実施形態２＞
本形態の燃料電池システム１は、図１１に示すように、燃料電池２のアノード流路２２における圧力を測定する圧力計４３を備える。本形態の排出弁制御部７２は、濃度推定時において、アノード流路２２における圧力に基づいて、アノードオフガスＡ２における燃料としての水素の濃度を推定する。アノード流路２２における圧力は、インジェクタ３１２の噴射サイクルにおいて、インジェクタ３１２からアノードガスＡ１が噴射された後に上昇し、燃料電池２においてアノードガスＡ１としての水素が消費されるに伴って下降する。そして、アノード流路２２における圧力は、主に水素の濃度に応じて変化し、アノードオフガスＡ２における水素の濃度と関係している。これにより、アノード流路２２における圧力に基づいて、アノードオフガスＡ２における水素の濃度を推定することができる。
【０１０２】
アノードオフガスＡ２における水素の濃度は、アノードオフガスＡ２における、水素、及び窒素等の不純物を含むアノードオフガスＡ２に対して示される。つまり、アノードオフガスＡ２における水素の濃度は、アノードオフガスＡ２における不純物の濃度の割合の逆の数値として表される。
【０１０３】
なお、アノード流路２２における圧力は、アノードダクト２５における圧力とすることができる。また、圧力計４３は、アノード流路２２における圧力を測定する代わりに、供給流路３における圧力又は還流流路４における圧力を測定して、いずれかの圧力に基づいて、アノードオフガスＡ２における水素の濃度を推定することもできる。
【０１０４】
また、図１２に示すように、燃料電池システム１は、圧力計４３に代えて、又は圧力計４３とともに、還流流路４における水素の濃度を測定する濃度測定器４４を備えていてもよい。濃度測定器４４は、アノードガスＡ１としての水素の濃度を測定するものとすることができる。この場合には、濃度測定器４４によって、水素及び不純物を含むアノードオフガスＡ２における水素の濃度が直接測定される。
【０１０５】
また、この場合には、水素の濃度が直接測定されることにより、アノードオフガスＡ２における水素の濃度をより正確に検知することができる。また、この場合には、排出弁４１からアノードオフガスＡ２中の不純物が排出される際に、燃料としての水素が排出されるおそれを少なくすることができる。
【０１０６】
また、濃度推定時は、インジェクタ３１２の噴射サイクルにおける適宜タイミングに設定することができる。本形態の排出弁制御部７２は、サイクルタイムＳＴにおける、インジェクタ３１２が供給位置３０１にある時間帯には、排出弁４１を保持位置４０２に維持する。また、排出弁制御部７２は、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２における水素の濃度が規定濃度以上であるときには、サイクルタイムＳＴにおける、供給弁３１が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を保持位置４０２に維持する。一方、本形態の排出弁制御部７２は、濃度推定時において推定されたアノードオフガスＡ２における水素の濃度が規定濃度よりも低いときには、サイクルタイムＳＴにおける、供給弁３１が遮断位置３０２にある時間帯に、排出弁４１を保持位置４０２から排出位置４０１に切り換え可能である。
【０１０７】
本形態の燃料電池システム１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態の燃料電池システム１の制御方法は、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
【０１０８】
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【０１０９】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２１  電解質膜
３  供給流路
３１  供給弁
４  還流流路
４１  排出弁
５  真空エジェクタ
７  電池制御装置（制御装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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