(57)【要約】【課題】燃料電池内の生成水を効果的に排出することができ、かつ、無駄な燃料排出を抑制す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２と、燃料電池２から排出される生成水及びガスを流すための排出流路２３と、排出流路２３に設けられた排出弁３１と、排出弁３１の開閉動作を制御することにより燃料電池２から排出流路２３を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させる制御手段７と、を備える燃料電池システム１である。制御手段７は、燃料電池２から排出流路２３への生成水排出時における排出弁３１の開放時間を、排出流路２３から外部へのガス排出時における排出弁３１の開放時間よりも長く設定する。【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、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、この排出弁の開閉動作を制御することにより前記燃料電池から前記排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池から前記排出流路への生成水排出時における前記排出弁の開放時間を、前記排出流路から外部へのガス排出時における前記排出弁の開放時間よりも長く設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、この排出弁の開閉動作を制御することにより前記燃料電池から前記排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池から前記排出流路への生成水排出時における前記排出弁の開度を、前記排出流路から外部へのガス排出時における前記排出弁の開度よりも大きく設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項３】
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供給流路と、
前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池からの生成水排出時において、前記可変ガス供給装置からのガス供給に起因して前記燃料電池の入口側圧力が最大になった時点で前記排出弁を開放するものである、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記可変ガス供給装置は、インジェクタであり、
前記制御手段は、前記インジェクタの噴射開始時から前記燃料電池の入口側圧力が最大になるまでに要する遅れ時間を設定し、前記インジェクタの噴射開始時から前記遅れ時間が経過した時点で前記排出弁を開放するものである、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、を備える燃料電池システムのパージ方法であって、
前記燃料電池から前記排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させるように前記排出弁の開閉動作を制御する弁制御工程を有し、
前記弁制御工程において、前記燃料電池から前記排出流路への生成水排出時における前記排出弁の開放時間を、前記排出流路から外部へのガス排出時における前記排出弁の開放時間よりも長く設定する、
燃料電池システムのパージ方法。
【請求項６】
燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、を備える燃料電池システムのパージ方法であって、
前記燃料電池から前記排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させるように前記排出弁の開閉動作を制御する弁制御工程を有し、
前記弁制御工程において、前記燃料電池から前記排出流路への生成水排出時における前記排出弁の開度を、前記排出流路から外部へのガス排出時における前記排出弁の開度よりも大きく設定する、
燃料電池システムのパージ方法。
【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そのパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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の燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って生成された窒素や一酸化炭素等の不純物ガスや水分が経時的に蓄積する。このため、現在においては、蓄積したガスや水分を外部に排出する目的で、循環流路（又は循環流路に接続した排出流路）に排気弁や排水弁を設け、これら排気弁や排水弁の開閉制御を行うことにより、ガスや水分を一定時間毎に排出する技術（パージ技術）が提案されている。
【０００３】
また、近年においては、セル電圧のばらつきや循環ガスの圧力応答性に基づいて、燃料電池内の水詰まり（フラッディング）の発生と、循環経路内の不純物濃度の増加と、を推定し、フラッディングが発生した場合にはこれを解消するためのパージ（対フラッディングパージ）を行う一方、循環経路内の不純物濃度が増加した場合にはこれを抑制するためのパージ（不純物パージ）を行う技術が提案されている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３９３２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１に記載された技術においては、生成水の流動性及び不純物ガスの流動性が考慮されていないため、適切な条件でパージを実現させることができない場合があった。このため、例えば、燃料電池内に比較的複雑な流路が設けられている場合には燃料電池内の生成水が排出され難くなり、生成水の排出を優先した場合には本来排出しなくてもよい燃料ガスがパージの際に無駄に排出されてしまう、というような問題が発生していた。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内の生成水を効果的に排出することができ、かつ、無駄な燃料排出を抑制することができる燃料電池システム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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る第１の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、この排出弁の開閉動作を制御することにより燃料電池から排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、燃料電池から排出流路への生成水排出時における排出弁の開放時間を、排出流路から外部へのガス排出時における排出弁の開放時間よりも長く設定するものである。
【０００７】
また、本発明に係る第２の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、この排出弁の開閉動作を制御することにより燃料電池から排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、燃料電池から排出流路への生成水排出時における排出弁の開度を、排出流路から外部へのガス排出時における排出弁の開度よりも大きく設定するものである。
【０００８】
また、本発明に係る第１のパージ方法は、燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、を備える燃料電池システムのパージ方法であって、燃料電池から排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させるように排出弁の開閉動作を制御する弁制御工程を有し、この弁制御工程において、燃料電池から排出流路への生成水排出時における排出弁の開放時間を、排出流路から外部へのガス排出時における排出弁の開放時間よりも長く設定するものである。
【０００９】
また、本発明に係る第２のパージ方法は、燃料電池と、この燃料電池から排出される生成水及びガスを流すための排出流路と、この排出流路に設けられた排出弁と、を備える燃料電池システムのパージ方法であって、燃料電池から排出流路を経由させて外部へと生成水及びガスを排出させるように排出弁の開閉動作を制御する弁制御工程を有し、この弁制御工程において、燃料電池から排出流路への生成水排出時における排出弁の開度を、排出流路から外部へのガス排出時における排出弁の開度よりも大きく設定するものである。
【００１０】
かかる構成及び方法を採用すると、流動性の低い生成水を燃料電池から排出流路へと排出する際における排出弁の開放時間（開度）を、流動性の高いガスを排出流路から外部へと排出する際における排出弁の開放時間（開度）よりも長く（大きく）することができる。従って、生成水を燃料電池から確実に排出することが可能となるとともに、発電に寄与する燃料（例えば水素等）がガスの排出に伴って排出流路から外部へと無駄に排出されることを抑制することが可能となる。ここで、「排出弁の開放時間」とは、排出弁の一回当りの開放時間と、排出弁を所定時間内に複数回開放する場合における開放時間の総和と、の双方を含むものとする。
【００１１】
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供給流路と、供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、を備えるとともに、燃料電池からの生成水排出時において、可変ガス供給装置からのガス供給に起因して燃料電池の入口側圧力が最大になった時点で排出弁を開放する制御手段を採用することができる。
【００１２】
かかる構成を採用すると、燃料電池から生成水を排出する際に、可変ガス供給装置からのガス供給に起因して燃料電池の入口側圧力が最大になった時点で排出弁を開放することができる。従って、燃料電池内の生成水を効果的に排出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。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを可変ガス供給装置として採用することができる。かかる場合に、インジェクタからのガス噴射時から燃料電池の入口側圧力が最大になるまでに要する遅れ時間を設定し、インジェクタからのガス噴射時から前記遅れ時間が経過した時点で排出弁を開放する制御手段を採用することができる。
【００１４】
インジェクタとは、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。所定の制御部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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池内の生成水を効果的に排出することができ、かつ、無駄な燃料排出を抑制することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
まず、図１〜図４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２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１８】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａと、発電中のセル電圧（各単電池の電圧）を検出する電圧センサ２ｂと、が取り付けられている。これら電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂで検出された電流及び電圧に係る情報は、インジェクタ２８の制御や排気排水弁３１の制御に用いられる。
【００１９】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００２０】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。
【００２１】
水素供給源２１は、本発明における燃料供給源の一実施形態に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、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、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。
【００２２】
水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。
【００２３】
レギュレータ２７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２７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２８の上流側にレギュレータ２７を２個配置することにより、インジェクタ２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ２７は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置の一実施形態に相当する。
【００２４】
インジェクタ２８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２８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２８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。制御部７から出力される制御信号によってインジェクタ２８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２８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。
【００２５】
インジェクタ２８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２８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２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２８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２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８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２８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。インジェクタ２８は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置の一実施形態に相当する。
【００２６】
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２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８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供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１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２８を配置するようにする。
【００２７】
循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０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３１は、制御部７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３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。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。また、循環流路２３には、循環流路２３内のガス圧力を検出する循環圧力センサ３２が設けられている。循環圧力センサ３２で検出されたガス圧力に係る情報は、排気排水弁３１の制御に用いられる。循環流路２３は、本発明における排出流路に相当するものであり、排気排水弁３１は、本発明における排出弁の一実施形態に相当するものである。
【００２８】
排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給するものである。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。
【００２９】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００３０】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３１】
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
【００３２】
制御部７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６４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６４のほかに、燃料電池２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１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、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。
【００３３】
制御部７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が読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。
【００３４】
具体的には、制御部７は、図２に示すように、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２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、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、制御部７の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。
【００３５】
また、制御部７は、燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の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）とともに、目標パージ量（排気排水弁３１からの水素オフガスの目標排出量）を算出する（目標パージ量算出機能：Ｂ３）。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。
【００３６】
また、制御部７は、算出した目標圧力値と、圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８の下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能：Ｂ４）。そして、制御部７は、算出した偏差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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出機能：Ｂ５）。また、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ６）。そして、制御部７は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出し、この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２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。
【００３７】
また、制御部７は、前記したインジェクタ２８のフィードバック制御（インジェクタ２８の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御）を行うと同時に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、燃料電池２内や循環流路２３内に蓄積した生成水及び水素オフガス（窒素等の発電に寄与しない不純物を含むガス）を外部へと排出する。この際、制御部７は、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量）を算出し（パージ量算出機能：Ｂ７）、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能：Ｂ８）。そして、制御部７は、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ0未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ0以上である場合には排気排水弁３１を閉鎖する（パージ制御機能：Ｂ９）。制御部７は、本発明における制御手段の一実施形態として機能するものである。
【００３８】
ここで、制御部７のパージ量算出機能Ｂ７の詳細について説明する。インジェクタ２８のフィードバック制御により、インジェクタ２８の下流位置における圧力センサ２９の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁３１の開放により循環流路２３から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部７は、このような水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量（圧力変化対応流量）を算出する（圧力変化対応流量算出機能：Ｂ７ａ）。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する水素ガスの排出量と、の関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量Ｑ1を算出している。また、制御部７は、水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量（ガス補正供給流量）を算出し（補正流量算出機能：Ｂ５）、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ2を算出する（補正流量積算機能：Ｂ７ｂ）。そして、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ1と、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ2と、を加算することにより、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出機能：Ｂ７）。
【００３９】
また、制御部７のパージ制御機能Ｂ９の詳細について説明する。制御部７は、電圧センサ２ｂで検出された燃料電池２のセル電圧に基づいて、燃料電池２から生成水を排出すべきか否かを判定するとともに、循環圧力センサ３２で検出された循環流路２３内のガス圧力の変化に基づいて、循環流路２３から不純物ガスを排出すべきか否かを判定する。そして、制御部７は、生成水を排出すべきであると判定した場合に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、燃料電池２内に蓄積した生成水を循環流路２３へと排出する一方、不純物ガスを排出すべきであると判定した場合に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、循環流路２３内に蓄積した不純物ガスを排気排水流路２５（外部）へと排出する。
【００４０】
この際、制御部７は、図３に示すように、生成水排出時における排気排水弁３１の一回当りの開放時間（生成水パージ用開弁時間Ｔ2）を、不純物ガス排出時における排気排水弁３１の一回当たりの開放時間（ガスパージ用開弁時間Ｔ1）よりも長く設定する。また、制御部７は、生成水排出時における所定時間Ｔ内の排気排水弁３１の開放時間の総和（ΣＴ2）が、不純物ガス排出時の開放時間の総和（ΣＴ1）よりも長くなるように、排気排水弁３１の開閉周期及び開弁時間（Ｔ1、Ｔ2）設定する。また、制御部７は、生成水排出時において、インジェクタ２８からのガス供給に起因して燃料電池２の入口側圧力が最大になった時点で排気排水弁３１を開放する。具体的には、制御部７は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、インジェクタ２８の噴射開始時から燃料電池２の入口側圧力が最大になるまでに要する遅れ時間ＴDを算出する。そして、制御部７は、生成水排出時において、図４（Ａ）、（Ｃ）に示すように、インジェクタ２８の噴射開始時から遅れ時間ＴDが経過した時点で排気排水弁３１を開放する。
【００４１】
続いて、図５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のパージ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、水素供給源２１から水素ガスが水素供給流路２２を介して燃料電池２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１１を介して燃料電池２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２から引き出すべき電力（要求電力）が制御部７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２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において、燃料電池２内や循環流路２３内に蓄積した生成水や不純物ガスを排出（パージ）するための制御を行う。
【００４３】
まず、燃料電池システム１の制御部７は、電圧センサ２ｂを用いて燃料電池２を構成する各単電池の電圧（セル電圧）を検出する（セル電圧検出工程：Ｓ１）とともに、循環圧力センサ３２を用いて循環流路２３内のガス圧力を検出する（循環圧検出工程：Ｓ２）。次いで、制御部７は、セル電圧検出工程Ｓ１で検出した各単電池の電圧に基づいて、一部の単電池（例えば全体の一割の単電池）の電圧が他の多数の単電池の電圧よりも低下しているか否かを判定する（セル電圧判定工程：Ｓ３）。
【００４４】
制御部７は、セル電圧判定工程Ｓ３で一部の単電池の電圧が低下していると判定した場合に、燃料電池２内に生成水が所定量を超えて蓄積しフラッディングが生じているものと判定し、この生成水を排出するための制御を行う。具体的には、制御部７は、インジェクタ２８の噴射開始時から燃料電池２の入口側圧力が最大になるまでに要する遅れ時間ＴDを算出する（遅れ時間算出工程：Ｓ４）。そして、制御部７は、インジェクタ２８の噴射開始時から遅れ時間ＴDが経過したか否かを判定し（遅れ判定工程：Ｓ５）、肯定的な判定が得られた場合に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、燃料電池２内に蓄積した生成水を循環流路２３へと排出する（生成水パージ工程：Ｓ６）。
【００４５】
一方、制御部７は、電圧判定工程Ｓ３で各単電池の電圧が一様であると判定した場合に、循環圧検出工程Ｓ２で検出したガス圧力の応答性が低下しているか（ガス圧力が所定値変化するのに要する変化応答時間が基準時間を超えているか）否かを判定する（循環圧判定工程：Ｓ７）。そして、制御部７は、循環圧判定工程Ｓ７でガス圧力の応答性が低下していると判定した場合に、循環流路２３内に不純物ガスが蓄積しているものと判定し、この不純物ガスを排出するための制御を行う。具体的には、制御部７は、インジェクタ２８の噴射開始後に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、循環流路２３内に蓄積した不純物ガスを排気排水流路２５（外部）へと排出する（ガスパージ工程：Ｓ８）。なお、制御部７は、循環圧判定工程Ｓ７でガス圧力の応答性が低下していないと判定した場合に、ガスパージを行うことなく制御を終了する。
【００４６】
生成水パージ工程Ｓ６及びガスパージ工程Ｓ８は、本発明における弁制御工程の一実施形態に相当するものである。制御部７は、生成水パージ工程Ｓ６における排気排水弁３１の一回当りの開放時間（生成水パージ用開弁時間Ｔ2）を、ガスパージ工程Ｓ８における排気排水弁３１の一回当りの開放時間（ガスパージ用開弁時間Ｔ1）よりも長くなるように設定し、かつ、生成水パージ工程Ｓ６における所定時間Ｔ内の排気排水弁３１の開放時間の総和（ΣＴ2）が、ガスパージ工程Ｓ８における所定時間Ｔ内の排気排水弁３１の開放時間の総和（ΣＴ1）よりも長くなるように、排気排水弁３１の開閉周期及び開放時間（Ｔ1、Ｔ2）を設定する。
【００４７】
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、流動性の低い生成水を燃料電池２から循環流路２３へと排出する際における排気排水弁３１の開放時間を、流動性の高いガスを循環流路２３から外部へと排出する際における排気排水弁３１の開放時間よりも長くすることができる。従って、生成水を燃料電池２から確実に排出することが可能となるとともに、発電に寄与する燃料（例えば水素等）がガスの排出に伴って循環流路２３から外部へと無駄に排出されることを抑制することが可能となる。
【００４８】
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、燃料電池２から生成水を排出する際に、インジェクタ２８からのガス供給に起因して燃料電池２の入口側圧力が最大になった時点で排気排水弁３１を開放することができる。従って、燃料電池２内の生成水を効果的に排出することが可能となる。
【００４９】
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４に循環流路２３を設けた例を示したが、例えば、図６に示すように、燃料電池２に排出流路３３を接続して循環流路２３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、制御部７が、燃料電池２から排出流路３３へと生成水を排出する際における排気排水弁３１の開放時間を、排出流路３３から外部へとガスを排出する際における排気排水弁３１の開放時間よりも長くすることにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
また、以上の実施形態においては、生成水パージ工程Ｓ６とガスパージ工程Ｓ８とにおいて排気排水弁３１の「開放時間」を異ならせることにより、所望の作用効果を得た例を示したが、生成水パージ工程Ｓ６とガスパージ工程Ｓ８とにおいて排気排水弁３１の「開度」を異ならせることにより、同様の作用効果を得ることもできる。例えば、生成水パージ工程Ｓ６における排気排水弁３１の開度を、ガスパージ工程Ｓ８における排気排水弁３１の開度よりも大きく設定することにより、生成水の効果的な排出と燃料の浪費抑制との双方を実現させることができる。
【００５１】
また、以上の実施形態においては、インジェクタ２８の噴射開始時から燃料電池２の入口側圧力が最大になるまでに要する遅れ時間ＴDを算出したが、かかる遅れ時間ＴDは、燃料電池２の規模・仕様やインジェクタ２８の仕様等に応じて適宜設定することができる。また、燃料電池２内の燃料ガス流路から電解質膜を介して酸化ガス流路へと透過する水素ガスのクロスリーク量に基づいて、遅れ時間ＴDを補正することもできる。
【００５２】
また、以上の実施形態においては、インジェクタ２８を用いて燃料電池２への水素ガスの供給圧力を調整し、インジェクタ２８の噴射開始時から所定の遅れ時間経過後に排気排水弁３１を開放することにより、生成水の効果的な排出を実現させた例を示したが、インジェクタ２８の代わりにレギュレータ２７を用いて燃料電池２への水素ガスの供給圧力を調整した場合においても、燃料電池２の入口側圧力が最大になった時点で排気排水弁３１を開放することにより、生成水の効果的な排出を実現させることができる。
【００５３】
また、以上の実施形態においては、燃料電池２の一部の単電池の電圧が低下しているか否かによってフラッディングが発生したか否かを判定し、フラッディングが発生したものと判定した場合に生成水パージを開始した例を示したが、生成水パージの開始条件はこれに限られるものではない。
【００５４】
また、以上の実施形態においては、循環流路２３内のガス圧力の応答性が低下しているか否かによって不純物ガスが増加しているか否かを判定し、不純物ガスが増加していると判定した場合にガスパージを開始した例を示したが、ガスパージの開始条件はこれに限られるものではない。
【００５５】
また、以上の実施形態においては、循環流路２３に水素ポンプ２４を設けた例を示したが、水素ポンプ２４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、水素供給流路２２に遮断弁２６及びレギュレータ２７を設けた例を示したが、インジェクタ２８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２６やレギュレータ２７を設けなくてもよい。従って、インジェクタ２８を採用すると遮断弁２６やレギュレータ２７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。
【００５６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【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に示す燃料電池システムの制御部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に示す燃料電池システムの生成水排出時及びガス排出時における排気排水弁の開閉動作を示すタイムチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの生成水排出制御を説明するためのタイムチャートであり、（Ａ）はインジェクタの開閉動作を、（Ｂ）は燃料電池入口側の圧力値を、（Ｃ）は排気排水弁の開閉動作を、各々示すものである。タイムチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムのパージ方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図１に示す燃料電池システムの変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（制御手段）、２１…水素供給源（燃料供給源）、２２…水素供給流路（供給流路）、２３…循環流路（排出流路）、２８…インジェクタ（可変ガス供給装置）、３１…排気排水弁（排出弁）、３４…排出流路。
【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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