(57)【要約】【課題】インジェクタを備えた燃料電池システムにおいて、不快な動作音の発生を抑制する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料供給系３と、燃料供給系３の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタ３５と、インジェクタ３５を所定の駆動周期で駆動制御する制御手段４と、を備える燃料電池システム１である。制御手段４は、燃料電池１０の運転状態に応じてインジェクタ３５の駆動周期を設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、このインジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池の運転状態に応じて前記駆動周期を設定する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記燃料電池の発電量が小さいほど前記駆動周期を長く設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力が低いほど前記駆動周期を長く設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料供給系は、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための燃料排出流路と、この燃料排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁と、を有し、
前記制御手段は、
前記排出弁の開閉動作を制御して燃料オフガスのパージ動作を実行させるとともに、パージ動作実行時の前記駆動周期をパージ動作非実行時の前記駆動周期よりも短く設定する請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、所定の演算周期で演算を行うとともに、前記駆動周期を前記演算周期の倍数に設定する請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記インジェクタの全開制御又は全閉制御の際の前記駆動周期を非全開制御又は非全閉制御の際の前記駆動周期よりも短く設定する請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。
【０００３】
ところで、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合には、この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が燃料供給流路に設けられるのが一般的である。現在においては、燃料ガスの供給圧力を例えば２段階に変化させる機械式の可変調圧弁（可変レギュレータ）を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、近年においては、燃料電池システムの燃料供給流路にインジェクタを配置し、このインジェクタの作動状態を制御することにより燃料供給流路内の燃料ガスの供給圧力を調整する技術が提案されつつある。インジェクタは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。制御装置がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。
【０００５】
このようなインジェクタを用いた燃料電池システムにおいては、制御装置が所定の駆動周期でインジェクタを駆動するが、駆動周期が長すぎると燃料ガスの供給圧力に脈動が生じるおそれがある。このため、従来は、図８（ａ）に示すような比較的短い一定の駆動周期Ｔでインジェクタを駆動することにより、燃料ガスの供給圧力の脈動を抑制するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、比較的短い一定の駆動周期でインジェクタを駆動すると、以下のような問題が発生する。すなわち、制御装置は、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの圧力を調整するため、燃料電池の発電電流が小さい場合には燃料ガスの供給圧力を低減させるべくインジェクタの噴射流量を少なくするように制御を行う。かかる制御の際にインジェクタの駆動周期が短くかつ一定であると、図８（ｂ）に示すように非噴射時間Ｔ0が不定期に生じ、インジェクタが不定期に動作することとなる。このようにインジェクタが不定期に動作すると、不快な動作音が発生してしまう。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、インジェクタを備えた燃料電池システムにおいて、不快な動作音の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、このインジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、燃料電池の運転状態に応じて駆動周期を設定するものである。
【００１０】
かかる構成によれば、燃料電池の運転状態（燃料電池の発電量（電力、電流、電圧）、燃料電池の温度、パージ動作実行時の運転状態、起動時の運転状態、間欠運転状態、燃料電池システムの異常状態、燃料電池本体の異常状態等）に応じてインジェクタの駆動周期を設定（変更）することができる。例えば、燃料電池の発電電流値が小さい場合に駆動周期を長くすることができるので、インジェクタの不定期な動作を抑制することができる。この結果、不快な動作音の発生を抑制することが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。
【００１１】
前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池の発電量が小さいほど駆動周期を長く設定することが好ましい。また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池への燃料ガスの供給圧力が低いほど駆動周期を長く設定することが好ましい。
【００１２】
このようにすることにより、燃料電池の発電量低下時や燃料ガスの供給圧力低下時におけるインジェクタの不定期な動作を抑制して、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための燃料排出流路と、この燃料排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁と、を有する燃料供給系を採用することができる。かかる場合に、制御手段は、排出弁の開閉動作を制御して燃料オフガスのパージ動作を実行させるとともに、パージ動作実行時の駆動周期をパージ動作非実行時の駆動周期よりも短く設定することが好ましい。
【００１４】
このようにすることにより、パージ動作実行時に燃料ガスの供給圧力が一時的に低下することを抑制することができる。この結果、パージ時における発電性能の低下を抑制することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、所定の演算周期で演算を行うとともに、駆動周期を演算周期の倍数に設定することが好ましい。
【００１６】
このようにすることにより、制御手段の演算周期にインジェクタの駆動周期を同期させ易くなるため、インジェクタの制御精度を向上させることができる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、インジェクタの全開制御又は全閉制御の際の駆動周期を非全開制御又は非全閉制御の際の駆動周期よりも短く設定することが好ましい。
【００１８】
このようにすることにより、インジェクタの全開制御時におけるオーバーシュート（制御量が目標圧力値を上回る状態）や、インジェクタの全閉制御時におけるアンダーシュート（制御量が目標圧力値を下回る状態）を抑制することが可能となり、インジェクタの全開・全閉制御時における制御精度を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
【００２０】
かかる構成によれば、インジェクタの不定期な動作を抑制して不快な動作音の発生を抑制することが可能な燃料電池システムを備えているため、移動体の搭乗者に不快感を与えることが少ない。また、動作音の安定化により、搭乗者に安心感を与えることが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、インジェクタを備えた燃料電池システムにおいて、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの発電電流値と駆動周波数との関係を表すものであって、（ａ）は通常時（パージ動作非実行時）のマップ、（ｂ）はパージ動作実行時のマップである。
【図４】図１に示した燃料電池システムのインジェクタの駆動周期の波形を表すものであって、（ａ）は発電電流値が大きい場合の波形図、（ｂ）は発電電流値が小さい場合の波形図である。
【図５】燃料電池システムの全開制御時における水素ガス供給圧力の時間履歴を示すタイムチャートである。
【図６】図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】図１に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【図８】従来の燃料電池システムのインジェクタの駆動周期の波形を表すものであって、（ａ）は発電電流値が大きい場合の波形図、（ｂ）は発電電流値が小さい場合の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２４】
まず、図１〜図５を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００２５】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００２６】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００２７】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。水素ガス配管系３は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２８】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。
【００２９】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。
【００３０】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００３１】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。
【００３２】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００３３】
循環流路３２には、本気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。循環流路３２は本発明における燃料排出流路の一実施形態であり、排気排水弁３７は本発明における排出弁の一実施形態である。
【００３４】
制御装置４は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３５】
制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００３６】
具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。
【００３７】
また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の発電電流値）に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスのインジェクタ３５下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に目標圧力値を算出して更新することとしている。
【００３８】
また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出し、この偏差の絶対値が所定の閾値以下であるか否かを判定する（偏差判定機能：Ｂ３）。そして、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。
【００３９】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。
【００４０】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。
【００４１】
また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に応じて、インジェクタ３５の駆動周期及び駆動周波数を算出する（駆動周期算出機能：Ｂ７）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の開閉駆動の周期、すなわち噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。また、駆動周波数は駆動周期の逆数である。
【００４２】
本実施形態における制御装置４は、燃料電池１０の発電電流値と駆動周波数との関係を表す図３（ａ）に示したマップを用いて、燃料電池１０の発電電流値が小さくなるほど駆動周波数が低くなる（駆動周期が長くなる）ように駆動周波数を算出し、この駆動周波数に対応する駆動周期を算出している。例えば、燃料電池１０の発電電流値が大きい場合には、図４（ａ）に示すような高い駆動周波数（短い駆動周期Ｔ1）が設定される一方、燃料電池１０の発電電流値が小さい場合には、図４（ｂ）に示すような低い駆動周波数（長い駆動周期Ｔ2）が設定される。
【００４３】
また、本実施形態における制御装置４は、排気排水弁３７の開閉動作を制御してパージ動作（循環流路３２内の水素オフガスを排気排水弁３７から外部に排出する動作）を実行させる。そして、制御装置４は、かかるパージ動作実行時において、図３（ｂ）に示したマップを用いてインジェクタ３５の駆動周波数をパージ動作非実行時よりも高く（駆動周期を短く）設定する。具体的には、制御装置４は、図３（ｂ）に示したように、パージ動作実行時における最小駆動周波数Ｆ2を、通常時（パージ動作非実行時）における最小駆動周波数Ｆ1よりも格段に高く設定している。また、制御装置４は、駆動周期を演算周期の倍数に設定する。
【００４４】
また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ８）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値に駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ９）。
【００４５】
そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。すなわち、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック制御を実現させる。
【００４６】
また、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御を実現させる。ここで、全開・全閉制御とは、いわゆるオープンループ制御であり、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値以下となるまでインジェクタ３５の開度を全開・全閉に維持するものである。
【００４７】
具体的には、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合であって、目標圧力値よりも検出圧力値が小さい場合に、インジェクタ３５を全開させる（すなわち連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御機能：Ｂ１０）。一方、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合であって、目標圧力値よりも検出圧力値が大きい場合に、インジェクタ３５を全閉させる（すなわち噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御機能：Ｂ１１）。
【００４８】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御の際に、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定する。本実施形態においては、全開制御又は全閉制御を行う際の駆動周波数を、フィードバック制御を行う際の駆動周波数の２倍に設定する。すなわち、フィードバック制御を行う際の最短駆動周期を図５に示したＴ1とすると、全開制御又は全閉制御を行う際の最短駆動周期を図５に示したＴ3（＝０．５Ｔ1）に設定する。このようにインジェクタ３５の全開制御又は全閉制御の際に駆動周波数を高くする（駆動周期を短くする）ことにより、全開制御時におけるオーバーシュート（制御量としての検出圧力値が目標圧力値を上回る状態）や、全閉制御時におけるアンダーシュート（検出圧力値が目標圧力値を下回る状態）を抑制することが可能となる。
【００４９】
続いて、図６のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００５０】
燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時から運転状態が変化した場合（例えば発電量が低下した場合）に不定期な動作音が発生することを抑制する。
【００５１】
すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置４は、電流センサ１３を用いて燃料電池１０の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。また、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスの目標圧力値を算出する（目標圧力値算出工程：Ｓ２）。次いで、制御装置４は、二次側圧力センサ４３を用いてインジェクタ３５の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ３）。そして、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ３で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差ΔＰを算出する（偏差算出工程：Ｓ４）。
【００５２】
次いで、制御装置４は、偏差算出工程Ｓ４で算出した偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ1以下であるか否かを判定する（第１偏差判定工程：Ｓ５）。第１の閾値ΔＰ1は、目標圧力値より検出圧力値が小さい場合においてフィードバック制御と全開制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ1以下であると判定した場合に、後述する第２偏差判定工程Ｓ７に移行する。一方、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ1を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全開させる（連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御工程：Ｓ６）。かかる全開制御工程Ｓ６において、制御装置４は、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定する。
【００５３】
制御装置４は、第１偏差判定工程Ｓ５で目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2以下であると判定した場合に、偏差算出工程Ｓ４で算出した偏差ΔＰの絶対値が、第２の閾値ΔＰ2以下であるか否かを判定する（第２偏差判定工程：Ｓ７）。第２の閾値ΔＰ2は、目標圧力値より検出圧力値が大きい場合においてフィードバック制御と全閉制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2以下であると判定した場合に、後述するパージ判定工程Ｓ９に移行する。一方、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全閉させる（噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御工程：Ｓ８）。かかる全閉制御工程Ｓ８において、制御装置４は、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定する。
【００５４】
制御装置４は、第２偏差判定工程Ｓ７で目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2以下であると判定した場合に、パージ動作実行中であるか否かを判定する（パージ判定工程：Ｓ９）。そして、制御装置４は、パージ動作実行中であると判定した場合に、図３（ｂ）に示したパージ動作実行時用のマップと、電流検出工程Ｓ１で検出した燃料電池１０の発電電流値と、に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数及び駆動周期を算出する（パージ時駆動周期算出工程：Ｓ１０）。一方、制御装置４は、パージ動作実行中でないと判定した場合に、図３（ａ）に示した通常時用のマップと、電流検出工程Ｓ１で検出した燃料電池１０の発電電流値と、に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数及び駆動周期を算出する（通常時駆動周期算出工程：Ｓ１１）。その後、制御装置４は、算出した駆動周期を用いてフィードバック制御を実現させる（フィードバック制御工程：Ｓ１２）。
【００５５】
フィードバック制御工程Ｓ１２について具体的に説明する。まず、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（水素消費量）を算出する。また、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ３で検出したインジェクタ３５下流側の検出圧力値と、の偏差ΔＰに基づいてフィードバック補正流量を算出する。そして、制御装置４は、算出した水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する。
【００５６】
また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値に駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出する。
【００５７】
また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、印加電圧と、に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する。そして、この無効噴射時間と、インジェクタ３５の基本噴射時間と、を加算することにより、インジェクタ３５の総噴射時間を算出する。その後、制御装置４は、算出したインジェクタ３５の総噴射時間に係る制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
【００５８】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の発電電流値が小さい場合に駆動周波数を低く（駆動周期を長く）設定することができる。従って、燃料電池１０の発電量低下時におけるインジェクタ３５の不定期な動作を抑制して、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【００５９】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排気排水弁３７の開閉動作を制御してパージ動作を実行させる際に、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定することができる。従って、パージ動作実行時に水素ガスの供給圧力が一時的に低下することを抑制することができる。この結果、パージ時における発電性能の低下を抑制することができる。
【００６０】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御の際に駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定することができる。従って、インジェクタ３５の全開制御時におけるオーバーシュートや、インジェクタ３５の全閉制御時におけるアンダーシュートを抑制することが可能となり、インジェクタ３５の全開・全閉制御時における制御精度を向上させることができる。
【００６１】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、駆動周期を制御装置４の演算周期の倍数に設定しているため、制御装置４の演算周期にインジェクタ３５の駆動周期を同期させ易くなる。この結果、インジェクタ３５の制御精度を向上させることができる。
【００６２】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、インジェクタ３５の不定期な動作を抑制して不快な動作音の発生を抑制することが可能な燃料電池システム１を備えているため、搭乗者に不快感を与えることが少ない。また、動作音の安定化により、搭乗者に安心感を与えることが可能となる。
【００６３】
なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図７に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御装置４で前記実施形態と同様にインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を運転状態に応じて適切に設定することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６４】
また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排気弁を制御することもできる。
【００６５】
また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１のインジェクタ３５の下流位置に二次側圧力センサ４３を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定した例を示したが、二次側圧力センサの位置はこれに限られるものではない。
【００６６】
例えば、燃料電池１０の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路３１上）や、燃料電池１０の水素ガス出口近傍位置（循環流路３２上）や、水素ポンプ３９の出口近傍位置（循環流路３２上）に二次側圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、二次側圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、二次側圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。
【００６７】
また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。
【００６８】
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定した例を示したが、水素ガスの目標圧力値や検出圧力値に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定することもできる。この際には、目標圧力値（又は検出圧力値）と駆動周波数との関係を表すマップを用いて、目標圧力値（又は検出圧力値）が小さくなるほど駆動周波数が低くなる（駆動周期が長くなる）ように駆動周波数を算出し、この駆動周波数に対応する駆動周期を算出することができる。このようにすることにより、水素ガスの供給圧力低下時におけるインジェクタの不定期な動作を抑制して、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【００６９】
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値を検出し、この電流値に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定した例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電時の電圧値や電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定してもよい。また、燃料電池１０が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態あるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御装置が判定し、これら運転状態に応じてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定することもできる。
【００７０】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３２…循環流路（燃料排出流路）、３５…インジェクタ、３７…排気排水弁（排出弁）。
【図１】
2011138790.tif 000003
【図２】
2011138790.tif 000004
【図３】
2011138790.tif 000005
【図４】
2011138790.tif 000006
【図５】
2011138790.tif 000007
【図６】
2011138790.tif 000008
【図７】
2011138790.tif 000009
【図８】
2011138790.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月18日(2011.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、このインジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、所定の演算周期で演算を行うとともに、前記駆動周期を前記演算周期の倍数に設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムを備えた、移動体。
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月20日(2011.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。
【０００３】
ところで、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合には、この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が燃料供給流路に設けられるのが一般的である。現在においては、燃料ガスの供給圧力を例えば２段階に変化させる機械式の可変調圧弁（可変レギュレータ）を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、近年においては、燃料電池システムの燃料供給流路にインジェクタを配置し、このインジェクタの作動状態を制御することにより燃料供給流路内の燃料ガスの供給圧力を調整する技術が提案されつつある。インジェクタは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。制御装置がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。
【０００５】
このようなインジェクタを用いた燃料電池システムにおいては、制御装置が所定の駆動周期でインジェクタを駆動するが、駆動周期が長すぎると燃料ガスの供給圧力に脈動が生じるおそれがある。このため、従来は、図８（ａ）に示すような比較的短い一定の駆動周期Ｔでインジェクタを駆動することにより、燃料ガスの供給圧力の脈動を抑制するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、比較的短い一定の駆動周期でインジェクタを駆動すると、以下のような問題が発生する。すなわち、制御装置は、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの圧力を調整するため、燃料電池の発電電流が小さい場合には燃料ガスの供給圧力を低減させるべくインジェクタの噴射流量を少なくするように制御を行う。かかる制御の際にインジェクタの駆動周期が短くかつ一定であると、図８（ｂ）に示すように非噴射時間Ｔ0が不定期に生じ、インジェクタが不定期に動作することとなる。このようにインジェクタが不定期に動作すると、不快な動作音が発生してしまう。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、インジェクタを備えた燃料電池システムにおいて、不快な動作音の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、このインジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、所定の演算周期で演算を行うとともに、駆動周期を演算周期の倍数に設定するものである。
【００１０】
かかる構成によれば、制御手段の演算周期にインジェクタの駆動周期を同期させ易くなるため、インジェクタの制御精度を向上させることができる。この結果、不快な動作音の発生を抑制することが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。
【００１１】
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
【００１２】
かかる構成によれば、インジェクタの不定期な動作を抑制して不快な動作音の発生を抑制することが可能な燃料電池システムを備えているため、移動体の搭乗者に不快感を与えることが少ない。また、動作音の安定化により、搭乗者に安心感を与えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インジェクタを備えた燃料電池システムにおいて、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの発電電流値と駆動周波数との関係を表すものであって、（ａ）は通常時（パージ動作非実行時）のマップ、（ｂ）はパージ動作実行時のマップである。
【図４】図１に示した燃料電池システムのインジェクタの駆動周期の波形を表すものであって、（ａ）は発電電流値が大きい場合の波形図、（ｂ）は発電電流値が小さい場合の波形図である。
【図５】燃料電池システムの全開制御時における水素ガス供給圧力の時間履歴を示すタイムチャートである。
【図６】図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】図１に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【図８】従来の燃料電池システムのインジェクタの駆動周期の波形を表すものであって、（ａ）は発電電流値が大きい場合の波形図、（ｂ）は発電電流値が小さい場合の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１６】
まず、図１〜図５を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００１７】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００１８】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００１９】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。水素ガス配管系３は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２０】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。
【００２１】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。
【００２２】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００２３】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００２５】
循環流路３２には、本気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。循環流路３２は本発明における燃料排出流路の一実施形態であり、排気排水弁３７は本発明における排出弁の一実施形態である。
【００２６】
制御装置４は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００２７】
制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２８】
具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。
【００２９】
また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の発電電流値）に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスのインジェクタ３５下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に目標圧力値を算出して更新することとしている。
【００３０】
また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出し、この偏差の絶対値が所定の閾値以下であるか否かを判定する（偏差判定機能：Ｂ３）。そして、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。
【００３１】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。
【００３２】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。
【００３３】
また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に応じて、インジェクタ３５の駆動周期及び駆動周波数を算出する（駆動周期算出機能：Ｂ７）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の開閉駆動の周期、すなわち噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。また、駆動周波数は駆動周期の逆数である。
【００３４】
本実施形態における制御装置４は、燃料電池１０の発電電流値と駆動周波数との関係を表す図３（ａ）に示したマップを用いて、燃料電池１０の発電電流値が小さくなるほど駆動周波数が低くなる（駆動周期が長くなる）ように駆動周波数を算出し、この駆動周波数に対応する駆動周期を算出している。例えば、燃料電池１０の発電電流値が大きい場合には、図４（ａ）に示すような高い駆動周波数（短い駆動周期Ｔ1）が設定される一方、燃料電池１０の発電電流値が小さい場合には、図４（ｂ）に示すような低い駆動周波数（長い駆動周期Ｔ2）が設定される。
【００３５】
また、本実施形態における制御装置４は、排気排水弁３７の開閉動作を制御してパージ動作（循環流路３２内の水素オフガスを排気排水弁３７から外部に排出する動作）を実行させる。そして、制御装置４は、かかるパージ動作実行時において、図３（ｂ）に示したマップを用いてインジェクタ３５の駆動周波数をパージ動作非実行時よりも高く（駆動周期を短く）設定する。具体的には、制御装置４は、図３（ｂ）に示したように、パージ動作実行時における最小駆動周波数Ｆ2を、通常時（パージ動作非実行時）における最小駆動周波数Ｆ1よりも格段に高く設定している。また、制御装置４は、駆動周期を演算周期の倍数に設定する。
【００３６】
また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ８）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値に駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ９）。
【００３７】
そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。すなわち、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック制御を実現させる。
【００３８】
また、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御を実現させる。ここで、全開・全閉制御とは、いわゆるオープンループ制御であり、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値以下となるまでインジェクタ３５の開度を全開・全閉に維持するものである。
【００３９】
具体的には、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合であって、目標圧力値よりも検出圧力値が小さい場合に、インジェクタ３５を全開させる（すなわち連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御機能：Ｂ１０）。一方、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合であって、目標圧力値よりも検出圧力値が大きい場合に、インジェクタ３５を全閉させる（すなわち噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御機能：Ｂ１１）。
【００４０】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御の際に、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定する。本実施形態においては、全開制御又は全閉制御を行う際の駆動周波数を、フィードバック制御を行う際の駆動周波数の２倍に設定する。すなわち、フィードバック制御を行う際の最短駆動周期を図５に示したＴ1とすると、全開制御又は全閉制御を行う際の最短駆動周期を図５に示したＴ3（＝０．５Ｔ1）に設定する。このようにインジェクタ３５の全開制御又は全閉制御の際に駆動周波数を高くする（駆動周期を短くする）ことにより、全開制御時におけるオーバーシュート（制御量としての検出圧力値が目標圧力値を上回る状態）や、全閉制御時におけるアンダーシュート（検出圧力値が目標圧力値を下回る状態）を抑制することが可能となる。
【００４１】
続いて、図６のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００４２】
燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時から運転状態が変化した場合（例えば発電量が低下した場合）に不定期な動作音が発生することを抑制する。
【００４３】
すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置４は、電流センサ１３を用いて燃料電池１０の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。また、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスの目標圧力値を算出する（目標圧力値算出工程：Ｓ２）。次いで、制御装置４は、二次側圧力センサ４３を用いてインジェクタ３５の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ３）。そして、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ３で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差ΔＰを算出する（偏差算出工程：Ｓ４）。
【００４４】
次いで、制御装置４は、偏差算出工程Ｓ４で算出した偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ1以下であるか否かを判定する（第１偏差判定工程：Ｓ５）。第１の閾値ΔＰ1は、目標圧力値より検出圧力値が小さい場合においてフィードバック制御と全開制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ1以下であると判定した場合に、後述する第２偏差判定工程Ｓ７に移行する。一方、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ1を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全開させる（連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御工程：Ｓ６）。かかる全開制御工程Ｓ６において、制御装置４は、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定する。
【００４５】
制御装置４は、第１偏差判定工程Ｓ５で目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2以下であると判定した場合に、偏差算出工程Ｓ４で算出した偏差ΔＰの絶対値が、第２の閾値ΔＰ2以下であるか否かを判定する（第２偏差判定工程：Ｓ７）。第２の閾値ΔＰ2は、目標圧力値より検出圧力値が大きい場合においてフィードバック制御と全閉制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2以下であると判定した場合に、後述するパージ判定工程Ｓ９に移行する。一方、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全閉させる（噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御工程：Ｓ８）。かかる全閉制御工程Ｓ８において、制御装置４は、駆動周波数を高く（駆動周期を短く）設定する。
【００４６】
制御装置４は、第２偏差判定工程Ｓ７で目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ2以下であると判定した場合に、パージ動作実行中であるか否かを判定する（パージ判定工程：Ｓ９）。そして、制御装置４は、パージ動作実行中であると判定した場合に、図３（ｂ）に示したパージ動作実行時用のマップと、電流検出工程Ｓ１で検出した燃料電池１０の発電電流値と、に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数及び駆動周期を算出する（パージ時駆動周期算出工程：Ｓ１０）。一方、制御装置４は、パージ動作実行中でないと判定した場合に、図３（ａ）に示した通常時用のマップと、電流検出工程Ｓ１で検出した燃料電池１０の発電電流値と、に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数及び駆動周期を算出する（通常時駆動周期算出工程：Ｓ１１）。その後、制御装置４は、算出した駆動周期を用いてフィードバック制御を実現させる（フィードバック制御工程：Ｓ１２）。
【００４７】
フィードバック制御工程Ｓ１２について具体的に説明する。まず、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（水素消費量）を算出する。また、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ３で検出したインジェクタ３５下流側の検出圧力値と、の偏差ΔＰに基づいてフィードバック補正流量を算出する。そして、制御装置４は、算出した水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する。
【００４８】
また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値に駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出する。
【００４９】
また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、印加電圧と、に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する。そして、この無効噴射時間と、インジェクタ３５の基本噴射時間と、を加算することにより、インジェクタ３５の総噴射時間を算出する。その後、制御装置４は、算出したインジェクタ３５の総噴射時間に係る制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
【００５０】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、駆動周期を制御装置４の演算周期の倍数に設定しているため、制御装置４の演算周期にインジェクタ３５の駆動周期を同期させ易くなる。この結果、インジェクタ３５の制御精度を向上させることができ、インジェクタ３５の不定期な動作を抑制して、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【００５１】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、インジェクタ３５の不定期な動作を抑制して不快な動作音の発生を抑制することが可能な燃料電池システム１を備えているため、搭乗者に不快感を与えることが少ない。また、動作音の安定化により、搭乗者に安心感を与えることが可能となる。
【００５２】
なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図７に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御装置４で前記実施形態と同様にインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を運転状態に応じて適切に設定することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００５３】
また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排気弁を制御することもできる。
【００５４】
また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１のインジェクタ３５の下流位置に二次側圧力センサ４３を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定した例を示したが、二次側圧力センサの位置はこれに限られるものではない。
【００５５】
例えば、燃料電池１０の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路３１上）や、燃料電池１０の水素ガス出口近傍位置（循環流路３２上）や、水素ポンプ３９の出口近傍位置（循環流路３２上）に二次側圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、二次側圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、二次側圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。
【００５６】
また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。
【００５７】
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定した例を示したが、水素ガスの目標圧力値や検出圧力値に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定することもできる。この際には、目標圧力値（又は検出圧力値）と駆動周波数との関係を表すマップを用いて、目標圧力値（又は検出圧力値）が小さくなるほど駆動周波数が低くなる（駆動周期が長くなる）ように駆動周波数を算出し、この駆動周波数に対応する駆動周期を算出することができる。このようにすることにより、水素ガスの供給圧力低下時におけるインジェクタの不定期な動作を抑制して、不快な動作音の発生を抑制することができる。
【００５８】
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値を検出し、この電流値に基づいてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定した例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電時の電圧値や電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定してもよい。また、燃料電池１０が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態あるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御装置が判定し、これら運転状態に応じてインジェクタ３５の駆動周波数（駆動周期）を設定することもできる。
【００５９】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３２…循環流路（燃料排出流路）、３５…インジェクタ、３７…排気排水弁（排出弁）。