(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池の前記アノード側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記燃料電池の前記アノード側から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、
前記燃料ガス供給配管に配設され、設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射する燃料ガス供給部と、
を有する一方、
前記制御装置は、前記燃料電池の負荷に基づいて前記燃料ガス供給部の駆動周期を設定する駆動周期設定部と、
前記燃料電池内の水分量が所定量以上となる水分過多状態にあるか否かを判定する水分状態判定部と、
を備えるとともに、
前記駆動周期設定部は、前記水分量が前記水分過多状態であると判定された際に、前記燃料ガスが噴射される駆動周期を、通常運転時の駆動周期よりも長く、且つ１回の噴射量を、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池の前記アノード側に、前記燃料電池の負荷に基づいて設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射供給する工程と、
前記燃料電池内の水分量が所定量以上となる水分過多状態にあるか否かを判定する工程と、
前記水分量が前記水分過多状態にあると判定された際に、前記燃料ガスが噴射される駆動周期を、通常運転時の駆動周期よりも長く、且つ１回の噴射量を、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の制御方法において、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池の前記アノード側から排出される前記燃料ガスをパージするパージ弁を備え、
前記パージ弁は、前記燃料ガスが前記駆動周期毎に噴射されている間だけ開弁されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
制御装置と、
を備えるとともに、
前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池の前記アノード側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記燃料電池の前記アノード側から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、
前記燃料ガス供給配管に配設され、設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射する第１燃料ガス供給部と、
前記第１燃料ガス供給部の下流に配置されるエゼクタと、
前記燃料ガス排出配管と前記エゼクタとを連通するリターン配管と、
前記燃料ガス供給配管に、前記第１燃料ガス供給部及び前記エゼクタをバイパスして接続されるバイパス配管と、
前記バイパス配管に配置される第２燃料ガス供給部と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池の前記アノード側に、前記燃料電池の負荷に基づいて設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射供給する工程と、
前記燃料電池内の水分量が所定量以上となる水分過多状態にあるか否かを判定する工程と、
高負荷運転時に前記水分量が前記水分過多状態であると判定された際に、前記第２燃料ガス供給部から前記燃料ガスが噴射される駆動周期を、通常運転時の駆動周期よりも長く、且つ１回の噴射量を、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項４記載の制御方法において、低負荷運転時に前記水分量が前記水分過多状態であると判定された際に、前記第２燃料ガス供給部を駆動して前記燃料ガスを噴射させる工程を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の制御方法において、前記第２燃料ガス供給部が駆動される際に、前記第１燃料ガス供給部の駆動周期毎の前記燃料ガスの噴射量は、通常運転時の設定条件以下に制御されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の制御方法において、前記第２燃料ガス供給部の噴射流量は、前記第１燃料ガス供給部の噴射流量よりも大流量であることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか１項に記載の制御方法において、予め設定された高負荷閾値である電流値以上の高負荷運転が所定時間以上継続された後、予め設定された低負荷閾値である電流値以下の低負荷運転に移行した際、前記水分量が前記水分過多状態にあると判定されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池システムの起動処理が開始されてからの経過時間が、所定時間以内である際、前記水分量が前記水分過多状態にあると判定されることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置及び制御装置を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池電気車両に組み込まれている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持する発電セルを有している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
ところで、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置として、インジェクタを備える燃料電池システムが採用されている。この種の技術として、例えば、特許文献１に開示されている「燃料電池システム及びインジェクタの作動方法」が知られている。
【０００５】
この作動方法は、燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料供給源から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、前記調圧弁の下流側に並列に配置され、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの状態を調整し、燃圧の許容上限値がそれぞれ異なる複数のインジェクタと、前記調圧弁と前記インジェクタとの間における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、を有する燃料電池システムに適用されている。
【０００６】
そして、この作動方法は、燃料電池システムの運転起動命令を受信したときに、圧力センサにより検出される燃料ガスの圧力が、所定圧力値以上である場合に、許容上限値が前記所定圧力値以上であるインジェクタのうち、少なくとも一の前記インジェクタを作動させる制御工程を、備えている。
【０００７】
これにより、複数のインジェクタのうち、作動する可能性の高いインジェクタのみを開弁させることが可能となり、燃圧の許容上限値が燃料ガスの圧力未満となる作動不能なインジェクタについては、作動を禁止させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１４６６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、検出された水素ガスの圧力が、所定圧力値以上である場合に、すなわち、低負荷運転時に、燃圧の許容上限値が高い方、すなわち、供給可能な水素ガスの供給流量が少量のインジェクタ（少流量インジェクタ）のみを作動させて開弁させている。
【００１０】
しかしながら、高負荷運転が継続された後、低負荷運転に移行した際には、多量の滞留水が存在している可能性が多い。従って、少流量インジェクタでは、水素ガスの噴射量が少なくなるため、排水性が低下し、多量の滞留水を排水することができないおそれがある。これにより、燃料電池の発電性能が低下し、所望の発電状態を維持することが困難になるという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料ガス経路に残存する滞留水を簡単且つ確実に排水することができ、所望の発電性能を維持することが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、制御装置と、を備える燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
【００１３】
この燃料電池システムでは、燃料ガス供給装置は、燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の前記アノード側から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、前記燃料ガス供給配管に配設され、設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射する燃料ガス供給部と、を有している。
【００１４】
一方、制御装置は、燃料電池の負荷に基づいて燃料ガス供給部の駆動周期を設定する駆動周期設定部と、前記燃料電池内の水分量が所定量以上となる水分過多状態にあるか否かを判定する水分状態判定部と、を備えている。そして、駆動周期設定部は、水分量が水分過多状態であると判定された際に、燃料ガスが噴射される駆動周期を、通常運転時の駆動周期よりも長く、且つ１回の噴射量を、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定している。
【００１５】
また、この制御方法は、燃料ガス供給装置から燃料電池のアノード側に、前記燃料電池の負荷に基づいて設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射供給する工程と、前記燃料電池内の水分量が所定量以上となる水分過多状態にあるか否かを判定する工程と、前記水分量が前記水分過多状態にあると判定された際に、前記燃料ガスが噴射される駆動周期を、通常運転時の駆動周期より長く、且つ１回の噴射量を、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定する工程と、を有している。
【００１６】
さらに、この制御方法では、燃料ガス供給装置は、燃料電池のアノード側から排出される燃料ガスをパージするパージ弁を備え、前記パージ弁は、前記燃料ガスが駆動周期毎に噴射されている間だけ開弁されることが好ましい。
【００１７】
さらにまた、この制御方法では、燃料ガス供給装置は、燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記燃料電池の前記アノード側から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、前記燃料ガス供給配管に配設され、設定された駆動周期毎に前記燃料ガスを噴射する第１燃料ガス供給部と、前記第１燃料ガス供給部の下流に配置されるエゼクタと、前記燃料ガス排出配管と前記エゼクタとを連通するリターン配管と、前記燃料ガス供給配管に、前記第１燃料ガス供給部及び前記エゼクタをバイパスして接続されるバイパス配管と、前記バイパス配管に配置される第２燃料ガス供給部と、を備えている。
【００１８】
この制御方法は、高負荷運転時に水分量が水分過多状態であると判定された際に、第２燃料ガス供給部から前記燃料ガスが噴射される駆動周期を、通常運転時の駆動周期よりも長く、且つ１回の噴射量を、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定する工程を有している。
【００１９】
また、この制御方法では、第２燃料ガス供給部が駆動される際に、第１燃料ガス供給部の駆動周期毎の燃料ガスの噴射量は、通常運転時の設定条件以下に制御されることが好ましい。
【００２０】
さらに、この制御方法では、第２燃料ガス供給部の噴射流量は、第１燃料ガス供給部の噴射流量よりも大流量であることが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この制御方法では、予め設定された高負荷閾値である電流値以上の高負荷運転が所定時間以上継続された後、予め設定された低負荷閾値である電流値以下の低負荷運転に移行した際、水分量が水分過多状態にあると判定されることが好ましい。
【００２２】
さらにまた、この制御方法では、燃料電池システムの起動処理が開始されてからの経過時間が、所定時間以内である際、水分量が水分過多状態にあると判定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、燃料電池内の水分量が水分過多状態にある際、前記燃料電池に供給される燃料ガスを噴射する駆動周期が長く設定されるとともに、１回の噴射量を多く設定している。このため、燃料電池の燃料ガス経路に残存する滞留水を、簡単且つ確実に排水することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。
【図３】負荷電流、スタック温度及び滞留水量の関係説明図である。
【図４】通常運転時の水素ガス供給用インターバルと噴射時間との関係図である。
【図５】前記通常運転時のアノード圧力の説明図である。
【図６】滞留水排出運転時の水素ガス供給用インターバルと噴射時間との関係図である。
【図７】前記滞留水排出運転時のアノード圧力の説明図である。
【図８】インジェクタのＯＮ／ＯＦＦ制御とパージ弁のＯＮ／ＯＦＦ制御とを説明するタイミングチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】通常運転時における第１インジェクタ及び第２インジェクタの作動状態説明図である。
【図１１】前記燃料電池システムの制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図１２】滞留水排出運転時における前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの作動状態説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御装置）１８とを備える。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。
【００２６】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、フッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜からなる固体高分子電解質膜２２を、カソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００２７】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２８】
燃料電池２０は、電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２９】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００３０】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０の積層方向両端にエンドプレート３７ａ、３７ｂを配置する。エンドプレート３７ａ、３７ｂ間には、図示しないが、タイロッドを介して、又は、前記エンドプレート３７ａ、３７ｂを含むケーシング等を介して、積層方向に締め付け荷重が付与される。
【００３１】
エンドプレート３７ａには、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口マニホールド３８ａ、及び前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂが設けられる。
【００３２】
エンドプレート３７ｂには、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口マニホールド４０ａ、及び前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口マニホールド４０ｂが設けられる。
【００３３】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガス（供給酸化剤ガス）と排出ガス（排出酸化剤ガス）との間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口マニホールド３８ａに連通する。
【００３４】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂに連通する空気排出流路（酸化剤ガス排出流路）５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通する。この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５８が設けられる。
【００３５】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６０を備え、この水素タンク６０は、水素供給流路（燃料ガス供給配管）６２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口マニホールド４０ａに連通する。
【００３６】
水素供給流路６２には、減圧弁６４、遮断弁６６及び電子制御式のインジェクタ（燃料ガス供給部）６８が設けられる。インジェクタ６８は、水素タンク６０から供給される水素ガスを周期的に噴射し、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給する。なお、燃料ガス供給部としては、インジェクタ６８に限定されるものではなく、種々のデバイスが使用可能である。以下、第２の実施形態でも、同様である。
【００３７】
燃料ガス出口マニホールド４０ｂには、オフガス流路（燃料ガス排出配管）７０が連通するとともに、前記オフガス流路７０の途上には、パージ弁７２が接続される。
【００３８】
コントローラ１８は、燃料電池スタック１２の負荷に基づいてインジェクタ６８の駆動周期を設定する駆動周期設定部７４と、前記燃料電池スタック１２内の水分量が所定量以上である水分過多状態にあるか否かを判定する水分状態判定部７６と備える。
【００３９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口マニホールド３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００４１】
使用済みの空気（排出空気）は、酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂから空気排出流路５６に排出される。この排出空気は、加湿器５４に送られることによって、水透過膜を介して新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して排出される。
【００４２】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁６６が開放されることにより、水素タンク６０から減圧弁６４により減圧された水素ガスが、インジェクタ６８を介して周期的に水素供給流路６２に噴射供給される。この水素ガスは、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口マニホールド４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００４３】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口マニホールド４０ｂからオフガス流路７０に排出される。そして、パージ弁７２が開放されることにより、使用済みの水素ガスは、例えば、希釈ボックス（図示せず）に導入される。
【００４４】
次いで、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００４５】
上記のように、燃料電池システム１０の運転が行われる際、コントローラ１８では、燃料電池スタック１２内（ＦＣ内）の滞留水量が算出される（ステップＳ１）。
【００４６】
滞留水量の算出は、例えば、負荷電流と燃料電池スタック１２内の温度とによる滞留水レートマップに基づく積算により求めることができる。滞留水レートマップは、図３に示すように、負荷電流の大きさに対応して滞留水量が増加するとともに、スタック温度の低下に沿って前記滞留水量が増加する関係を有し、この滞留水レートマップから滞留水が算出される。
【００４７】
また、滞留水レートマップに代えて、燃料電池２０のインピーダンスを測定し、前記インピーダンスから滞留水量を推定してもよい。
【００４８】
次に、ステップＳ２に進んで、燃料電池スタック１２内の滞留水が過多状態（水分過多状態）であるか否かが判定される。このステップＳ２では、算出された滞留水量が、予め設定された滞留水量閾値を超えているか否かを、水分状態判定部７６により判断する。さらに、水分状態判定部７６では、燃料電池スタック１２の運転状態が、低負荷運転であるか否かの判断も、必要に応じて行われる。
【００４９】
そして、算出された滞留水が、滞留水量閾値を超えていると判断されると、滞留水過多状態であると判定し（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。
【００５０】
ステップＳ３では、アノード圧力が下限閾値を超え、且つ、上限閾値未満であると判断されると、すなわち、前記アノード圧力の圧力変動が容認し得る状態であると判断すると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。
【００５１】
ステップＳ４では、滞留水排出モードによる制御が行われる。具体的には、通常モード制御では、負荷電流に対応する水素ガス噴射量が設定されている。例えば、図４に示すように、インジェクタ６８は、所定のインターバルＴ１毎にオン時間Ｔ２だけＯＮされることにより、インターバルＴ１毎の噴射量が設定される。その際、アノード圧力（アノード流路系内の圧力）は、図５に示すように、アノード差圧Ｐ１内で振幅している。
【００５２】
これに対して、滞留水排出モードでは、図６に示すように、通常運転時のインターバルＴ１よりも長いインターバルＴ３毎に、通常運転時の噴射量であるオン時間Ｔ２よりも長いオン時間Ｔ４に設定される。このため、１回の噴射量は、通常運転時の１回の噴射量よりも多くなるように設定される。従って、アノード圧では、図７に示すように、通常運転時のアノード差圧Ｐ１よりも大きな差圧であるアノード差圧Ｐ２で振幅し、さらに差圧のかかる時間が長くなる。
【００５３】
このように、滞留水排出モードでは、水素ガスを噴射する駆動周期（Ｔ３）が、通常運転時の駆動周期（Ｔ１）よりも長く、且つ、駆動周期毎に噴射される前記水素ガスの噴射量（オン時間Ｔ４）が、通常運転時の噴射量（オン時間Ｔ２）よりも多くなるように設定している。
【００５４】
これにより、滞留水排出モードでは、通常運転時よりも大きなアノード差圧Ｐ２が発生し、且つ、差圧のかかる時間が長くなるので、燃料電池スタック１２内のアノード流路系に残存する滞留水を確実に排出することが可能になる。その際、アノード差圧に対する滞留水排出レートのマップを用いて、滞留水の排出処理を行うことができ、あるいは、インピーダンス値による推定水量によって、滞留水排出制御を行うこともできる。
【００５５】
一方、ステップＳ２において、滞留水過多状態ではないと判断された際（ステップＳ２中、ＮＯ）には、ステップＳ５に進んで、通常モード制御による水素ガスの供給が行われる。同様に、アノード圧力が、圧力変動を容認できない状態であると判断した際には（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、通常モード制御に進む。
【００５６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２内の水分量（滞留水量）が、水分過多状態であると判断された際、前記燃料電池スタック１２に供給される水素ガスを噴出する駆動周期が、通常運転時の駆動周期よりも長く設定されるとともに、駆動周期毎に噴射される水素ガスの噴射量が、通常運転時の噴射量よりも多く設定されている。
【００５７】
このため、アノード流路系内におけるアノード差圧が大きくなり、且つ、差圧のかかる時間が長くなるので、前記アノード流路系に残存する滞留水を簡単且つ確実に排水することができる。従って、燃料電池スタック１２は、所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５８】
さらに、滞留水過多状態の判断時（ステップＳ２）、燃料電池スタック１２が低負荷運転であるか否かの判断条件を付加している。これにより、生成水の少ない低負荷運転時に、滞留水排出モードが適用されるため、排水処理が一層効率的に遂行されるという利点がある。
【００５９】
また、第１の実施形態では、滞留水排出モードにおいて、パージ弁７２の開閉制御を、インジェクタ６８の開放時（オン時間内）に同期して行うことができる。
【００６０】
図８に示すように、インジェクタ６８がオンされている間に、パージ弁７２が一時的にオンされる。このため、燃料電池スタック１２の入口側と出口側との間に大きな差圧、すなわち、アノード差圧が発生する。従って、通常運転時に比べてアノード差圧が一層大きくなり、燃料電池スタック１２からの排水性が一層迅速且つ確実に遂行されるという効果が得られる。
【００６１】
その際、パージ弁７２が開放されることにより、インジェクタ６８のオンによるアノード圧力の瞬間的な立ち上がりを抑えることができるので、前記アノード圧力が一時的に該アノード圧力の上限閾値を超えてしまうことを防止することが可能になる。なお、アノード圧力の上限閾値は、カソードとの極間差圧や燃料電池スタック１２を構成するデバイスの耐久性に基づいて設定されるものである。
【００６２】
ところで、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２内の滞留水量を算出した後（ステップＳ１）、滞留水過多状態であるか否かの判断が行われている（ステップＳ２）。
【００６３】
これに代えて、本発明では、燃料電池システム１０において、予め設定された閾値電流値以上の高負荷運転が、所定の時間以上に亘って継続された後、予め設定された閾値電流値以下の低負荷運転に移行した際、燃料電池スタック１２内の滞留水が滞留水過多状態であると判断することができる。
【００６４】
これにより、水分状態判定部７６は、高負荷運転によって水分が溜まっているか否かを判定する。このため、低負荷運転時であっても、滞留水の過多状態を精度よく検知することが可能になる。
【００６５】
また、本発明では、燃料電池システム１０の起動処理が開始されてからの経過時間が、所定の時間以内である際、低負荷運転が所定の時間継続された際、インピーダンスから得られる水分量が所定値以上である際、燃料電池スタック１２内の滞留水が滞留水過多状態であると判定することも可能である。その際、燃料電池システム１０の起動温度を考慮することができる。
【００６６】
従って、水分状態判定部７６は、起動開始後、所定の時間以内であって、システム温度が低く結露する状態であると判断された際、滞留水過多状態であると判定する。これにより、排水性の一層の向上が図られる。
【００６７】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６８】
燃料電池システム８０は、燃料ガス供給装置８２を備える。燃料ガス供給装置８２の水素供給流路６２には、減圧弁６４、遮断弁６６、第１インジェクタ（第１燃料ガス供給部）８４及びエゼクタ８６が設けられる。
【００６９】
エゼクタ８６は、水素タンク６０から供給される水素ガスを、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、前記燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路８８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。水素循環路８８は、オフガス流路７０にパージ弁７２の上流に位置して連結される。
【００７０】
水素供給流路６２には、第１インジェクタ８４及びエゼクタ８６をバイパスしてバイパス配管９０の両端が接続される。バイパス配管９０には、第２インジェクタ（第２燃料ガス供給部）９２が配設される。第２インジェクタ９２は、第１インジェクタ８４よりも大流量を供給可能なデバイスとして構成される。
【００７１】
このように構成される燃料電池システム８０では、図１０に示すように、低負荷運転時には、小流量デバイスである第１インジェクタ８４のみが使用されて、水素ガスの供給が行われる。そして、負荷電流が上昇して所定の閾値以上になると、第１インジェクタ８４のオンオフ操作に加えて、第２インジェクタ９２のオンオフ動作が開始される。
【００７２】
第１インジェクタ８４及び第２インジェクタ９２は、それぞれ所定のインターバルに、且つ、所定のオン時間に設定される。第１インジェクタ８４及び第２インジェクタ９２のそれぞれの噴射量は、図１０に示す負荷電流と噴射量との関係を有するように設定される。
【００７３】
燃料電池システム８０の制御方法は、実質的に、図２に示すフローチャートに沿って行われるとともに、図１１に示すタイムチャートに沿って制御される。具体的には、負荷電流によって第１インジェクタ８４と第２インジェクタ９２とが併用され、又は、前記第１インジェクタ８４のみが駆動されて、燃料電池スタック１２の通常運転が行われる。すなわち、高負荷運転時には、第２インジェクタ９２が駆動される一方、低負荷運転時には、前記第２インジェクタ９２が駆動されない。
【００７４】
コントローラ１８では、燃料電池スタック１２内の滞留水量を推定し、この推定された滞留水量が閾値を超えると、すなわち、滞留水過多状態であると判断され、滞留水排出運転フラグが立てられる。このため、滞留水排出モードに移行し、高負荷運転時では、第２インジェクタ９２のインターバルが延長されてアノード差圧を大きくする。その際、第１インジェクタ８４のインターバルは、延長しなくてもよい（図１１中、二点鎖線参照）。圧力変動の大きな第２インジェクタ９２が使用されるため、第１インジェクタ８４を通常制御とし、圧力変動幅を小さく制限することが好ましいからである。上記の制御時の状態は、図１２に示されている。
【００７５】
一方、低負荷運転時では、駆動停止されていた第２インジェクタ９２が駆動され、前記第２インジェクタ９２により所定のインターバル（延長しなくてもよい）で、且つ、所定のオン時間だけ水素ガスを噴射する制御（オンオフ制御）が行われる。従って、アノード差圧及び水素ガス噴射量が大きくなり、滞留水を排出することできる。その際、第１インジェクタ８４では、滞留水排出モードにおいて、オフ状態を維持されてもよく、また、噴射される水素ガス量を減量させてもよい。すなわち、第１インジェクタ８４は、第２インジェクタ９２が駆動される際に、駆動周期及び駆動周期毎の酸化剤ガスの噴射が通常運転時の設定条件以下に制御される。
【００７６】
従って、大流量デバイスである第２インジェクタ９２からインターバル毎に噴射される水素ガス噴射量が増大する。これにより、アノード差圧が大きくなって、所望の排水性を得ることができる。しかも、下流にエゼクタ８６を有さない第２インジェクタ９２から水素ガスを供給するため、アノード差圧が大きくなって排水性が向上する。
【００７７】
さらに、滞留水排出モードでは、図１１に示すように、第２インジェクタ９２がオンされている間に、パージ弁７２のオン動作が行われている。このため、第２の実施形態では、燃料電池スタック１２のアノード流路系に残存する滞留水を、簡単且つ確実に排水することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１０、８０…燃料電池システム        １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６、８２…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ                  ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜            ２４…カソード電極
２６…アノード電極                  ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ              ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路                  ３７ａ、３７ｂ…エンドプレート
３８ａ…酸化剤ガス入口マニホールド  ３８ｂ…酸化剤ガス出口マニホールド
４０ａ…燃料ガス入口マニホールド    ４０ｂ…燃料ガス出口マニホールド
５０…エアポンプ                    ５２…空気供給流路
５４…加湿器                        ５６…空気排出流路
６０…水素タンク                    ６２…水素供給流路
６４…減圧弁                        ６６…遮断弁
６８、８４、９２…インジェクタ      ７０…オフガス流路
７２…パージ弁                      ７４…駆動周期設定部
７６…水分状態判定部                ８６…エゼクタ
８８…水素循環路                    ９０…バイパス配管
【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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