(57)【要約】【課題】インジェクタが開故障した場合でも燃料電池の発電を継続可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０と、アノード流路１２に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁２２と、遮断弁２２の下流の燃料ガス供給流路に設けられた第１インジェクタ２３と、アノード流路１２の圧力であるアノード圧力を検出する圧力センサ２７と、第１インジェクタ２３の開故障を検知する開故障検知手段と、遮断弁２２の開閉を制御する遮断弁制御手段と、を備え、第１インジェクタ２３の開故障を検知した場合、遮断弁制御手段は、アノード圧力が下限圧力以下であるときに遮断弁２２を開き、アノード圧力が下限圧力よりも高くかつ遮断弁２２を閉じるべき上限圧力以上であるときに遮断弁２２を閉じる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁と、
前記遮断弁の下流の前記燃料ガス供給流路に設けられた第１インジェクタと、
前記燃料ガス流路の圧力であるアノード圧力を検出するアノード圧力検出手段と、
前記第１インジェクタの開故障を検知する開故障検知手段と、
前記遮断弁の開閉を制御する遮断弁制御手段と、
を備え、
前記開故障検知手段が前記第１インジェクタの開故障を検知した場合、
前記遮断弁制御手段は、
前記アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力が、前記遮断弁を開くべき下限圧力以下であるとき、前記遮断弁を開き、
前記アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力が、前記下限圧力よりも高くかつ前記遮断弁を閉じるべき上限圧力以上であるとき、前記遮断弁を閉じる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス流路の圧力であるカソード圧力を検出するカソード圧力検出手段を備え、
前記下限圧力は、前記カソード圧力検出手段の検出するカソード圧力以上であり、
前記上限圧力は、前記カソード圧力検出手段の検出するカソード圧力との差圧によって前記燃料電池の電解質膜が破損しない圧力である
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上流端が前記遮断弁及び前記第１インジェクタの間の前記燃料ガス供給流路に接続し、下流端が前記第１インジェクタの下流の前記燃料ガス供給流路に接続し、前記第１インジェクタをバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられた第２インジェクタと、
前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタを制御するインジェクタ制御手段と、
を備え、
前記開故障検知手段は前記第２インジェクタの開故障も検知し、
前記開故障検知手段が前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの一方の開故障を検知し、他方の開故障を検知しない場合、
前記インジェクタ制御手段が前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの他方の駆動を停止した状態で、前記遮断弁制御手段が前記遮断弁を開閉する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の発電電流を制限する電流制限手段を備え、
前記開故障の検知により前記遮断弁制御手段が前記遮断弁を開閉する場合、前記燃料電池の発電電流を制限する
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】
前記電流制限手段は、開故障したインジェクタのノズル径が小さくなるにつれて、前記燃料電池の発電電流の制限量を大きくする
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記開故障検知手段は、前記アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力の変化量に基づいて、開故障しているか否か検知する
ことを特徴とする請求項１から請求項５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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車等の電源として、水素（燃料ガス）及び酸素を含む空気（酸化剤ガス）が供給されることで発電する燃料電池が注目されている。そして、アノードの上流にインジェクタを設け、要求発電量に対応してインジェクタを開閉制御（ＰＷＭ制御）することで水素を噴射し、燃料電池への水素の流量を制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１２７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１では、インジェクタが開故障した場合、燃料電池のアノード流路（燃料ガス流路）を含むアノード系路が高圧になることを防止するために、水素タンクの主止弁を直ちに閉じ、燃料電池への水素の供給を停止している。そうすると、燃料電池の発電を継続できず、燃料電池車の走行が不可能となる。なお、インジェクタの開故障とは、ニードル等の弁体が離座し、ノズルが開いたまま閉じない状態を意味する。
【０００５】
そこで、本発明は、インジェクタが開故障した場合でも燃料電池の発電を継続可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁と、前記遮断弁の下流の前記燃料ガス供給流路に設けられた第１インジェクタと、前記燃料ガス流路の圧力であるアノード圧力を検出するアノード圧力検出手段と、前記第１インジェクタの開故障を検知する開故障検知手段と、前記遮断弁の開閉を制御する遮断弁制御手段と、を備え、前記開故障検知手段が前記第１インジェクタの開故障を検知した場合、前記遮断弁制御手段は、前記アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力が、前記遮断弁を開くべき下限圧力以下であるとき、前記遮断弁を開き、前記アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力が、前記下限圧力よりも高くかつ前記遮断弁を閉じるべき上限圧力以上であるとき、前記遮断弁を閉じることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
このような構成によれば、開故障検知手段が第１インジェクタの開故障を検知した場合、遮断弁制御手段が、遮断弁を開閉する。これにより、遮断弁が開状態である場合、燃料ガスが、開状態の遮断弁、開故障している第１インジェクタを通って、燃料電池の燃料ガス流路に供給される。すなわち、遮断弁を開閉することによって、燃料ガスが燃料電池に供給される。したがって、燃料電池の発電を継続できる。
【０００８】
また、遮断弁制御手段は、アノード圧力が遮断弁を開くべき下限圧力以下であるときに遮断弁を開き、アノード圧力が下限圧力よりも高くかつ遮断弁を閉じるべき上限圧力以上であるときに遮断弁を閉じる。これにより、アノード圧力は、下限圧力と上限圧力との間の範囲となり、例えば、異常昇圧し難くなる。
【０００９】
また、燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路の圧力であるカソード圧力を検出するカソード圧力検出手段を備え、前記下限圧力は、前記カソード圧力検出手段の検出するカソード圧力以上であり、前記上限圧力は、前記カソード圧力検出手段の検出するカソード圧力との差圧によって前記燃料電池の電解質膜が破損しない圧力であることが好ましい。
【００１０】
このような構成によれば、下限圧力はカソード圧力以上であるので、アノード圧力がカソード圧力未満にならない。これにより、酸化剤ガスが電解質膜をカソード側からアノード側にクロスオーバーし難くなる。よって、アノードにおいて燃料ガス濃度が低下し難くなり、燃料ガス不足となることを好適に抑制できる。
【００１１】
また、上限圧力は、カソード圧力との差圧（アノード及びカソードの極間差圧）によって燃料電池の電解質膜が破損しない圧力であるので、電解質膜が破損することはない。
【００１２】
また、燃料電池システムにおいて、上流端が前記遮断弁及び前記第１インジェクタの間の前記燃料ガス供給流路に接続し、下流端が前記第１インジェクタの下流の前記燃料ガス供給流路に接続し、前記第１インジェクタをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた第２インジェクタと、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタを制御するインジェクタ制御手段と、を備え、前記開故障検知手段は前記第２インジェクタの開故障も検知し、前記開故障検知手段が前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの一方の開故障を検知し、他方の開故障を検知しない場合、前記インジェクタ制御手段が前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタの他方の駆動を停止した状態で、前記遮断弁制御手段が前記遮断弁を開閉することが好ましい。
【００１３】
このような構成によれば、開故障検知手段が第１インジェクタ及び第２インジェクタの一方の開故障を検知し、他方の開故障を検知しない場合、インジェクタ制御手段が第１インジェクタ及び第２インジェクタの正常である他方の駆動を停止するので、正常である他方における駆動エネルギ（電力等）の消費が停止する。
【００１４】
言い換えると、遮断弁制御手段が遮断弁を開閉し、開故障している一方を介して燃料ガスを供給している場合において、正常である他方が駆動し燃料ガスを噴射したとき、正常である他方の駆動は無駄になるうえ、駆動回数の増加により、正常である他方の耐久性が低下する虞がある。
【００１５】
また、燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電電流を制限する電流制限手段を備え、前記開故障の検知により前記遮断弁制御手段が前記遮断弁を開閉する場合、前記電流制限手段が燃料ガス不足とならないように前記燃料電池の発電電流を制限することが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、インジェクタの開故障の検知により遮断弁制御手段が遮断弁を開閉する場合、電流制限手段が燃料電池の発電電流を制限するので、燃料ガス不足となり難くなる。すなわち、遮断弁の開閉応答性が低くても、燃料ガス不足（ストイキ不足）となり難くなり、燃料ガス不足のまま発電が継続せず、燃料電池が劣化し難くなる。
【００１７】
また、燃料電池システムにおいて、前記電流制限手段は、開故障したインジェクタのノズル径が小さくなるにつれて、前記燃料電池の発電電流の制限量を大きくすることが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、電流制限手段が、開故障したインジェクタのノズル径が小さくなるにつれて、燃料電池の発電電流の制限量を大きくする、つまり、制限後の発電電流を小さくするので、燃料ガス不足を防止しつつ、発電電流を最適とできる。
【００１９】
また、燃料電池システムにおいて、前記開故障検知手段は、前記アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力の変化量に基づいて、開故障しているか否か検知することが好ましい。
【００２０】
このような構成によれば、開故障検知手段は、アノード圧力検出手段の検出するアノード圧力の変化量に基づいて、インジェクタが開故障しているか否か簡便に検知できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、インジェクタが開故障した場合でも燃料電池の発電を継続可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００２４】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（車両、移動体）に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。
【００２５】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電を制御する電力制御系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２７】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
【００２８】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２９】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０とモータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００３０】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３１】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給源）と、常閉型の遮断弁２２と、第１インジェクタ２３（第１燃料噴射装置）と、第２インジェクタ２４（第２燃料噴射装置）と、エゼクタ２５と、パージ弁２６と、圧力センサ２７（アノード圧力検出手段）と、を備えている。
【００３２】
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、第１インジェクタ２３、配管２３ａ、エゼクタ２５、配管２５ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。配管２２ａは、配管２４ａ、第２インジェクタ２４、配管２４ｂを介して、配管２５ａに接続されている。
【００３３】
そして、遮断弁２２が開いた状態で、第１インジェクタ２３及び／又は第２インジェクタ２４が水素を噴射すると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を通って、アノード流路１２に供給されるようになっている。なお、配管２４ａの接続点よりも上流の配管２２ａには、図示しないレギュレータ（減圧弁）が設けられている。レギュレータは、二次側圧力を所定圧力に調整するものである。
【００３４】
ここで、アノード流路１２の入口に接続され、アノード流路１２に向かう水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管２１ａと、配管２２ａと、配管２３ａと、配管２５ａとを備えて構成されている。そして、遮断弁２２は前記燃料ガス供給流路に設けられており、第１インジェクタ２３は遮断弁２２の下流の前記燃料ガス供給流路に設けられている。
【００３５】
また、第１インジェクタ２３をバイパスするバイパス流路は、配管２４ａと配管２４ｂとを備えて構成されている。そして、配管２４ａの上流端は遮断弁２２及び第１インジェクタ２３の間の配管２２ａ（燃料ガス供給流路）に接続されており、配管２４ｂの下流端は第１インジェクタ２３の下流の配管２５ａに接続されている。
【００３６】
なお、配管２４ｂの下流端が配管２３ａに接続した構成でもよい。このような構成とすれば、第２インジェクタ２４が開故障し、第１インジェクタ２３が正常に閉じている場合、第２インジェクタ２４からの水素がエゼクタ２５のノズル２５ｃを経由するので、水素の循環が促進されることになる。
【００３７】
水素タンク２１は、水素が高圧で貯蔵された容器である。
【００３８】
遮断弁２２は、常閉型の電磁弁で構成され、ＥＣＵ６０の指令に従って開／閉することで、水素を供給／遮断する弁である。具体的には、遮断弁２２は、ゲート弁、ボール弁等で構成される弁本体と、弁本体を開／閉するソレノイドと、を備えて構成される。この他、ＥＣＵ６０の指令に従って回動するモータで弁本体を開閉する構成としてもよい。
【００３９】
第１インジェクタ２３及び第２インジェクタ２４は、ＥＣＵ６０に電子制御されることで、水素を間欠的（断続的）に噴射する噴射装置である。なお、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４、遮断弁２２や、後記するコンプレッサ３１等は、燃料電池スタック１０及び／又は後記するバッテリ４４を電源としている。また、第１インジェクタ２３は、主に、要求電力が低負荷領域〜中負荷領域の場合に作動し、第２インジェクタ２４は、主に高負荷領域の場合に作動する。
【００４０】
第１インジェクタ２３は小流量噴射可能に構成され、第２インジェクタ２４は大流量噴射可能で構成されている。このような噴射流量の差は、水素を噴射するノズルの噴射面積や、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４内を往復運動する弁体（ニードル）のストローク量を変更することで構成される。例えば、第２インジェクタ２４のノズル径、弁体のストローク量は、第１インジェクタ２３よりも大きく設計される。
【００４１】
また、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４は、水素の噴射／停止を繰り返すことで、その二次側圧力を調整する調圧手段（レギュレータ）としての機能も備えている。したがって、前記レギュレータを省略することも可能である。
【００４２】
エゼクタ２５は、第１インジェクタ２３からの新規水素を噴射することで負圧を発生させるノズル２５ｃと、新規水素と前記負圧で吸引された配管２５ｂ（燃料オフガス循環流路）のアノードオフガスとを混合し、配管２５ａ（アノード流路１２）に向けて供給するディフューザ２５ｄと、を備えている。
【００４３】
アノード流路１２の出口は、配管２５ｂを介して、エゼクタ２５の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１２から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）が、エゼクタ２５に戻されるようになっている。配管２５ｂには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器や、アノードオフガスの逆流を防止する逆止弁（いずれも図示しない）が設けられている。
【００４４】
配管２５ｂの途中は、配管２６ａ、常閉型のパージ弁２６、配管２６ｂを介して、後記する希釈器３３に接続されている。パージ弁２６は、燃料電池スタック１０の発電時に、配管２５ｂを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合や、システム起動時にアノード流路１２を水素に置換する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる。なお、ＥＣＵ６０は、例えば、セル電圧モニタ（図示しない）を介して検出される最低セル電圧が不純物を排出すべき所定電圧以下である場合、パージ弁２６を開くようになっている。
【００４５】
圧力センサ２７は、配管２５ａに取り付けられている。そして、圧力センサ２７は、配管２５ａ内の圧力（アノード流路１２の圧力と略等しい）を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。なお、圧力センサ２７の位置はアノード流路１２の上流に限定されず、例えば、アノード流路１２内や、アノード流路１２の下流の配管２５ｂに取り付けられた構成でもよい。後記する圧力センサ３４の位置についても同様である。
【００４６】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１と、背圧弁３２と、希釈器３３と、圧力センサ３４（カソード圧力検出手段）と、を備えている。
コンプレッサ３１の吐出口は、配管３１ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管３１ａを介して、カソード流路１３に供給するようになっている。
【００４７】
また、配管３１ａと後記する配管３２ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。加湿器は、水分が透過可能な中空糸膜を内蔵し、中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう新規空気と多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿する。
【００４８】
カソード流路１３の出口には、配管３２ａ、背圧弁３２、配管３２ｂ、希釈器３３、配管３３ａが順に接続されている。そして、カソード流路１３からのカソードオフガスは、配管３２ａ等を通って、車外に排出されるようになっている。
【００４９】
背圧弁３２は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度はＥＣＵ６０の指令に従って可変される。そして、背圧弁３２の開度が可変することで、その背圧、つまり、カソード流路１３の圧力が制御されるようになっている。
【００５０】
希釈器３３は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。
【００５１】
圧力センサ３４は、配管３１ａに取り付けられている。そして、圧力センサ３４は、配管３１ａ内の圧力（カソード流路１３の圧力と略等しい）を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００５２】
＜電力制御系＞
電力制御系は、モータ４１と、ＰＤＵ４２（Power Drive Unit）と、電力制御器４３と、バッテリ４４とを備えている。モータ４１は、ＰＤＵ４２、電力制御器４３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、バッテリ４４は、電力制御器４３に接続されている。すなわち、モータ４１とバッテリ４４とは、電力制御器４３（燃料電池スタック１０）に対して並列で接続されている。
【００５３】
モータ４１は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。
【００５４】
ＰＤＵ４２は、ＥＣＵ６０の指令に従って、電力制御器４３からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ４１に供給するインバータである。
【００５５】
電力制御器４３は、ＥＣＵ６０の指令に従って、（１）燃料電池スタック１０の出力（発電電力、電流値、電圧値）を制御する機能と、（２）バッテリ４４の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器４３は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。すなわち、電力制御器４３とこれを制御するＥＣＵ６０とは、燃料電池スタック１０の発電電流を制限する電流制限手段を構成している。
【００５６】
バッテリ４４は、電力を充電／放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。
【００５７】
＜その他機器＞
アクセル開度センサ５１は、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量であるアクセル開度を検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ５１は、アクセル開度をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００５８】
警告ランプ５２は、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４の開故障を運転者に報知するランプであり、運転席周りに設けられている。
【００５９】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
【００６０】
＜ＥＣＵ−遮断弁制御機能＞
ＥＣＵ６０（遮断弁制御手段）は、遮断弁２２を構成するソレノイドへの通電をＯＮ／ＯＦＦ制御し、遮断弁２２の開閉を制御する機能を備えている。
【００６１】
また、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３及び／又は第２インジェクタ２４が開故障した場合、遮断弁２２の開／閉を繰り返し、開故障したインジェクタを介して水素をアノード流路１２に供給する機能を備えている。
【００６２】
この場合において、ＥＣＵ６０は、圧力センサ２７の検出するアノード圧力が遮断弁２２を開くべき下限圧力以下であるときに遮断弁２２を開き、アノード圧力が下限圧力よりも高くかつ遮断弁２２を閉じるべき上限圧力以上であるときに遮断弁２２を閉じるように設定されている。
【００６３】
下限圧力は、第１インジェクタ２３及び／又は第２インジェクタ２４が開故障中において、圧力センサ３４の検出するカソード圧力以上であり、上限圧力は、圧力センサ３４の検出するカソード圧力との差圧によっての電解質膜が破損しない圧力に設定される。
【００６４】
すなわち、第１インジェクタ２３及び／又は第２インジェクタ２４が開故障中、コンプレッサ３１の回転速度及び背圧弁３２の開度は通常時と同様に制御され、カソード圧は通常時と同様に制御され変動するが、下限圧力をカソード圧力以上に設定するので、アノード圧力がカソード圧力未満にならない。したがって、カソード流路１３の空気がアノード流路１２にクロスオーバーし難くなる。よって、アノードにおいて水素濃度が低下し難くなり、水素不足となることを好適に抑制できる。
【００６５】
また、アノード圧力の上限圧力をカソード圧力との差圧によっての電解質膜が破損しない圧力に設定するので、アノード及びカソードの極間差圧によって電解質膜が破損することはない。
【００６６】
＜ＥＣＵ−インジェクタ制御機能＞
ＥＣＵ６０（インジェクタ制御手段）は、ＰＷＭ制御等によって、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４の開閉を制御する機能を備えている。ここで、前記したように、第１インジェクタ２３はノズル径が小さく小流量噴射用かつ循環促進用であり、第２インジェクタ２４はノズル径が大きく大流量噴射用であるから、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３で優先して噴射するように構成されている。
【００６７】
すなわち、第１インジェクタ２３による水素の噴射を基本とし、加速時等、水素を大流量で供給する場合、不足分をアシストするように第２インジェクタ２４で噴射するように構成されている。
【００６８】
＜ＥＣＵ−開故障検知機能＞
ＥＣＵ６０（開故障検知手段）は、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４が開故障しているか否か検知する機能を備えている。
具体的には、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４にＯＦＦ信号（閉指令）を出力している場合において、圧力センサ２７の検出するアノード圧力の所定時間における変化量（上昇幅、上昇速度等）が、所定変化量以上であるとき、第１インジェクタ２３又は第２インジェクタ２４が開故障していると判断するように構成されている。
【００６９】
この場合において、第１インジェクタ２３のノズル径は第２インジェクタ２４よりも小さいので、変化量（上昇速度）が小さいときに第１インジェクタ２３が開故障していると判断され、変化量（上昇速度）が大きいときに第２インジェクタ２４が開故障していると判断される。
【００７０】
その他に例えば、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４に駆動電力を供給する駆動回路の故障により、例えば、第１インジェクタ２３に駆動電力が連続して供給されている場合、第１インジェクタ２３は開故障していると判断される。第１インジェクタ２３への駆動電力の供給の有無は、電流センサ等によって検出される。
【００７１】
＜ＥＣＵ−電流制限機能＞
ＥＣＵ６０（電流制限手段）は、第１インジェクタ２３及び／又は第２インジェクタ２４が開故障中において遮断弁２２を開閉し、開故障したインジェクタを介して水素を供給している場合、燃料電池スタック１０における水素不足（水素ストイキ不足）を防止するために、電力制御器４３を制御して、燃料電池スタック１０の発電電流を制限する機能を備えている。
【００７２】
この場合において、ＥＣＵ６０は、開故障したインジェクタのノズル径が小さくなるにつれて、発電電流の制限量（電流値の低下量）を大きく、つまり、制限後の発電電流を小さくする。すなわち、ノズル径の小さい第１インジェクタ２３が開故障した場合の制限量は、ノズル径の大きい第２インジェクタ２４が故障した場合の制限量よりも大きく設定されている。これにより、燃料電池スタック１０において水素不足になり難くなる。
【００７３】
≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システム１の動作・効果について、図２を主に参照して説明する。
なお、初期状態として、ＥＣＵ６０は、アクセル開度に対応して燃料電池スタック１０に水素及び空気を供給しており、燃料電池スタック１０は発電している。つまり、アクセル開度が大きくなるにつれて、水素、空気の流量を増加させ、圧力を高めている。
【００７４】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、第２インジェクタ２４が開故障しているか否か判定する。
【００７５】
第２インジェクタ２４は開故障していると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１２１に進む。第２インジェクタ２４は開故障していないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。
【００７６】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３が開故障しているか否か判定する。
【００７７】
第１インジェクタ２３は開故障していると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ、）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１１１に進む。第１インジェクタ２３は開故障していないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３進む。
【００７８】
＜第１、２インジェクタ：正常＞
ステップＳ１０３を説明する。なお、ＥＣＵ６０の処理がステップＳ１０３に進む場合、第１インジェクタ２３及び第２インジェクタ２４は正常である。
【００７９】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、第１インジェクタ２３、第２インジェクタ２４を、アクセル開度に対応して、通常にＰＷＭ制御する。なお、遮断弁２２は開いたままである。
【００８０】
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
【００８１】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ６０は、正常である第２インジェクタ２４に連続してＯＦＦ信号（ＯＮデューディ：０％）を出力して、第２インジェクタ２４を連続して正常に閉じる。
【００８２】
＜第１インジェクタ：開故障、第２インジェクタ：正常閉＞
ステップＳ１１２を説明する。なお、ＥＣＵ６０の処理がステップＳ１１２に進む場合、第１インジェクタ２３は開故障しており、第２インジェクタ２４は正常に閉じている。
【００８３】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開閉する（開閉制御Ａ、図３参照）。具体的には、ＥＣＵ６０は、前記したように、圧力センサ２７の検出するアノード圧力が遮断弁２２を開くべき下限圧力以下であるときに遮断弁２２を開き、アノード圧力が下限圧力よりも高くかつ遮断弁２２を閉じるべき上限圧力以上であるときに遮断弁２２を閉じることで、遮断弁２２を開閉する。下限圧力、上限圧力については前記した通りである。なお、ＥＣＵ６０は、カソード側については、アクセル開度に基づいて、コンプレッサ３１及び背圧弁３２を通常に制御しており、カソード圧力は変動している。
【００８４】
これにより、水素は、開故障し開いたままである第１インジェクタ２３を通って、アノード流路１２に供給される。したがって、燃料電池スタック１０の発電を継続できる。
【００８５】
また、ＥＣＵ６０は、警告ランプ５２を点灯させ、第２インジェクタ２４が故障している旨を運転者に報知する。後記するステップＳ１２３、Ｓ１３１についても同様である。
【００８６】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ６０は、電力制御器４３を制御して、燃料電池スタック１０の出力電流を制限する（電流制限Ａ）。この場合において、開故障したノズル径の小さい第１インジェクタ２３を介して水素を供給しているので、ステップＳ１２４及びステップＳ１３２よりも電流の制限量を大きくする。
【００８７】
また、ＥＣＵ６０は、電力制御器４３を制御し、燃料電池スタック１０の出力の不足分を補足（アシスト）するように、バッテリ４４を放電させ、モータ４１に供給する。これにより、モータ４１がアクセル開度に対応して回転し、燃料電池車がアクセル開度に対応して走行する。後記するステップＳ１２４、Ｓ１３２についても同様である。
【００８８】
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
【００８９】
ステップＳ１２１において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０２と同様に、第１インジェクタ２３が開故障しているか否か判定する。
【００９０】
第１インジェクタ２３は開故障していると判定した場合（Ｓ１２１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１３１に進む。第１インジェクタ２３は開故障していないと判定した場合（Ｓ１２１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１２２進む。
【００９１】
ステップＳ１２２において、ＥＣＵ６０は、正常である第１インジェクタ２３に連続してＯＦＦ信号（ＯＮデューディ：０％）を出力して、第１インジェクタ２３を連続して正常に閉じる。
【００９２】
＜第１インジェクタ：正常閉、第２インジェクタ：開故障＞
ステップＳ１２３を説明する。なお、ＥＣＵ６０の処理がステップＳ１２３に進む場合、第１インジェクタ２３は正常に閉じており、第２インジェクタ２４は開故障している。
【００９３】
ステップＳ１２３において、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開閉する（開閉制御Ｂ）。これにより、水素は、開故障し開いたままである第２インジェクタ２４を通って、アノード流路１２に供給される。したがって、燃料電池スタック１０の発電を継続できる。
【００９４】
ステップＳ１２４において、ＥＣＵ６０は、電力制御器４３を制御して、燃料電池スタック１０の出力電流を制限する（電流制限Ｂ）。この場合において、開故障したノズル径の大きい第２インジェクタ２４を介して水素を供給しているので、電流の制限量は、ステップＳ１１３よりも小さく、かつ、ステップＳ１３２よりも大きくなる。
【００９５】
因みに、この場合、第１インジェクタ２３は正常に閉じており、エゼクタ２５において負圧が発生しておらず、水素の循環量が低下する。したがって、配管２５ａと配管２５ｂとを循環配管で接続すると共に、この循環配管にポンプを設け、前記場合において、このポンプを駆動させて水素の循環を促進する構成としてもよい。
【００９６】
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
【００９７】
＜第１、２インジェクタ：開故障＞
ステップＳ１３１を説明する。なお、ＥＣＵ６０の処理がステップＳ１３１に進む場合、第１インジェクタ２３及び第２インジェクタ２４は開故障している。
【００９８】
ステップＳ１３１において、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開閉する（開閉制御Ｃ）。これにより、水素は、開故障し開いたままである第１インジェクタ２３及び第２インジェクタ２４を通って、アノード流路１２に供給される。したがって、燃料電池スタック１０の発電を継続できる。
【００９９】
ステップＳ１３２において、ＥＣＵ６０は、電力制御器４３を制御して、燃料電池スタック１０の出力電流を制限する（電流制限Ｃ）。
【０１００】
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
【０１０１】
≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。
【０１０２】
前記した実施形態では、第１インジェクタ２３及び第２インジェクタ２４を備える構成を例示したが、第１インジェクタ２３のみを備える構成でもよい。また、並列配置された３つ以上のインジェクタを備える構成でもよい。
【０１０３】
前記した実施形態では、燃料電池車に搭載された燃料電池システム１を例示したが、適用箇所はこれに限定されず、例えば、定置型の燃料電池システムに組み込まれた構成でもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
１２    アノード流路（燃料ガス流路）
１３    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２５ａ  配管（燃料ガス供給流路）
２２    遮断弁
２３    第１インジェクタ
２４    第２インジェクタ
２４ａ、２４ｂ  配管（バイパス流路）
２７    圧力センサ（アノード圧力検出手段）
３４    圧力センサ（カソード圧力検出手段）
４３    電力制御器（電力制限手段）
６０    ＥＣＵ（開故障検知手段、遮断弁制御手段、インジェクタ制御手段、電力制限手段）
【図１】
2014107062.tif 000003
【図２】
2014107062.tif 000004
【図３】
2014107062.tif 000005