(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路と、
燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、
前記燃料電池の現在の発電電流値に基づいて前記ノズルの噴射口における噴射断面積を段階的に調整する噴射口調整手段と、
燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、
を備え、
前記噴射口調整手段は、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値以上の場合に最大噴射断面積に調整し、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満の場合に前記最大噴射断面積よりも小さい噴射断面積に調整し、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満の場合において、前記圧力センサの検出した検出圧力が前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、当該検出圧力と当該目標圧力との圧力差が前記燃料ガス不足のおそれがある第１所定圧力差以上のとき、前記小さい噴射断面積でなく、前記小さい噴射断面積よりも大きい噴射断面積に調整する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記噴射口調整手段は、
前記噴射断面積を、前記最大噴射断面積である噴射断面積大と、前記噴射断面積大よりも小さい噴射断面積小との２段階で調整し、
前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上の場合に前記噴射断面積大に調整し、
前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第１所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大に調整し、
前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第１所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整する
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】
前記噴射口調整手段は、
前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満であって現在の前記噴射断面積が前記噴射断面積大の場合に、前記第１所定圧力差ではなく、前記第１所定圧力差よりも小さい圧力差である第２所定圧力差に基づいて調整し、
前記圧力差が前記第２所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大で維持し、
前記圧力差が前記第２所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路と、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、前記燃料電池の現在の発電電流値に基づいて前記ノズルの噴射口における噴射断面積を段階的に調整する噴射口調整手段と、燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記噴射口調整手段が前記現在の発電電流値が最大噴射断面積よりも小さい噴射断面積に調整すべき所定発電電流値未満であるか否かを判定する発電電流値判定ステップと、
前記発電電流値判定ステップにおいて前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上であると判定された場合に、最大噴射断面積に調整するステップと、
前記発電電流値判定ステップにおいて前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満であると判定された場合に、前記目標圧力算出手段が目標圧力を算出し、前記圧力センサが燃料ガスの圧力を検出するステップと、
前記噴射口調整手段が、前記圧力センサの検出した検出圧力が前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、当該検出圧力と当該目標圧力との圧力差が前記燃料ガス不足のおそれがある第１所定圧力差以上のとき、前記小さい噴射断面積でなく、前記小さい噴射断面積よりも大きい噴射断面積に調整するステップと、を含む
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、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
【０００３】
このような燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス（排出燃料ガス）には未反応の水素が含まれており、これをこのまま放出したのでは水素の利用効率が低下してしまう。そこで、水素の利用効率を向上させるため、水素を含むアノードオフガスを、燃料電池の上流に戻し、これと、水素タンクからの水素とをエゼクタで混合し、燃料電池に再供給する、つまり、水素を循環させる燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
また、このように使用されるエゼクタについては、噴射断面積の異なる複数のノズルを備えることが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７８８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池の現在の発電電流値に基づいて、ノズルの噴射口における噴射断面積を切り替える構成とした場合、例えば、燃料電池自動車の起動時や加速時等において、燃料ガスの圧力を目標圧力まで速やかに上昇させたいにもかかわらず、噴射断面積の小さなノズルが選択されてしまう。なぜなら、起動時では、燃料電池がまだ暖機されていない等、現在の発電電流値が小さいからであり、加速時では、加速開始時点（加速初期）での発電電流値が小さいからである。そして、小さなノズルが選択されることによって、起動時や加速時等において、現在の燃料ガスの圧力が目標圧力まで上昇するのに時間がかかってしまい、燃料ガスの供給が遅れてしまう。これにより、燃料電池において燃料ガスが不足するおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料ガスの圧力の上昇を早め、燃料ガスの供給が遅れてしまうことによる燃料ガスの不足を防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法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】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路と、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、前記燃料電池の現在の発電電流値に基づいて前記ノズルの噴射口における噴射断面積を段階的に調整する噴射口調整手段と、燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、を備え、前記噴射口調整手段は、前記現在の発電電流値が所定発電電流値以上の場合に最大噴射断面積に調整し、前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満の場合に前記最大噴射断面積よりも小さい噴射断面積に調整し、前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満の場合において、前記圧力センサの検出した検出圧力が前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、当該検出圧力と当該目標圧力との圧力差が前記燃料ガス不足のおそれがある第１所定圧力差以上のとき、前記小さい噴射断面積でなく、前記小さい噴射断面積よりも大きい噴射断面積に調整することを特徴とする燃料電池システムである。
また、前記噴射口調整手段は、前記噴射断面積を、前記最大噴射断面積である噴射断面積大と、前記噴射断面積大よりも小さい噴射断面積小との２段階で調整し、前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上の場合に前記噴射断面積大に調整し、前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第１所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大に調整し、前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満の場合において、前記圧力差が前記第１所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整することが好ましい。
さらに、前記噴射口調整手段は、前記現在の発電電流値が所定発電電流値未満であって現在の前記噴射断面積が前記噴射断面積大の場合に、前記第１所定圧力差ではなく、前記第１所定圧力差よりも小さい圧力差である第２所定圧力差に基づいて調整し、前記圧力差が前記第２所定圧力差以上のとき、前記噴射断面積大で維持し、前記圧力差が前記第２所定圧力差未満のとき、前記噴射断面積小に調整することが好ましい。
【０００９】
このような燃料電池システムによれば、目標圧力と圧力センサにより検出される検出圧力との圧力差に基づいて、ノズルの噴射口における噴射断面積を切り替える構成としたので、例えば、燃料電池自動車の起動時や加速時等において、噴射断面積の大きなノズルが選択される。
具体的には、圧力センサの検出した検出圧力が目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、検出圧力と目標圧力との圧力差が所定値（所定圧力差）以上である場合、噴射口調整手段は、ノズルの噴射口における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池へ供給される燃料ガスの流量が多くなる。
【００１０】
このようにして、ノズルの噴射口における噴射断面積を大きくすることによって、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が多くなり、起動時においては、燃料ガスの圧力の上昇が早められ、発電可能な状態までの時間を短縮することができる。また、加速時においては、燃料ガスの供給が遅れてしまうことによる燃料ガスの不足を防止することができる。
【００１２】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の現在の発電電流値が所定値（所定発電電流値）以上である場合、噴射口調整手段は、ノズルの噴射口における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池へ供給される燃料ガスの流量が多くなる。
【００１３】
このようにして、ノズルの噴射口における噴射断面積は、（１）圧力センサの検出した検出圧力が目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、検出圧力と目標圧力との圧力差が所定値（所定圧力差）以上である場合と、（２）燃料電池の現在の発電電流値が所定値（所定発電電流値）以上である場合とにおいて、大きくなるように調整される。これによって、起動時や加速時等に限定されることなく、適切な量の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の現在の発電電流値が所定値（所定発電電流値）よりも小さく、圧力センサの検出した検出圧力が目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、検出圧力と目標圧力との圧力差が所定値（所定圧力差）以上である場合、噴射口調整手段は、ノズルの噴射口における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池へ供給される燃料ガスの流量が多くなる。
【００１６】
このようにして、燃料電池の現在の発電電流値が小さいときでもノズルの噴射口における噴射断面積を大きくすることによって、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が多くなり、起動時においては、燃料ガスの圧力の上昇が早められ、発電可能な状態までの時間を短縮することができる。また、加速時においては、燃料ガスの供給が遅れてしまうことによる燃料ガスの不足を防止することができる。
【００２０】
また、本発明は、  燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路と、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを噴射するノズルを有し、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスと前記循環流路からの排出燃料ガスとを混合するエゼクタと、前記燃料電池の現在の発電電流値に基づいて前記ノズルの噴射口における噴射断面積を段階的に調整する噴射口調整手段と、燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記噴射口調整手段が前記現在の発電電流値が最大噴射断面積よりも小さい噴射断面積に調整すべき所定発電電流値未満であるか否かを判定する発電電流値判定ステップと、前記発電電流値判定ステップにおいて前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値以上であると判定された場合に、最大噴射断面積に調整するステップと、前記発電電流値判定ステップにおいて前記現在の発電電流値が前記所定発電電流値未満であると判定された場合に、前記目標圧力算出手段が目標圧力を算出し、前記圧力センサが燃料ガスの圧力を検出するステップと、前記噴射口調整手段が、前記圧力センサの検出した検出圧力が前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、当該検出圧力と当該目標圧力との圧力差が前記燃料ガス不足のおそれがある第１所定圧力差以上のとき、前記小さい噴射断面積でなく、前記小さい噴射断面積よりも大きい噴射断面積に調整するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００２１】
このような燃料電池システムの制御方法によれば、目標圧力と圧力センサにより検出される検出圧力との圧力差に基づいて、ノズルの噴射口における噴射断面積を切り替える構成としたので、例えば、燃料電池自動車の起動時や加速時等において、噴射断面積の大きなノズルが選択される。
具体的には、圧力センサの検出した検出圧力が目標圧力算出手段の算出した目標圧力よりも低く、検出圧力と目標圧力との圧力差が所定値（所定圧力差）以上である場合、噴射口調整手段は、ノズルの噴射口における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池へ供給される燃料ガスの流量が多くなる。
【００２２】
このようにして、ノズルの噴射口における噴射断面積を大きくすることによって、燃料電池に供給される燃料ガスの流量が多くなり、起動時においては、燃料ガスの圧力の上昇が早められ、発電可能な状態までの時間を短縮することができる。また、加速時においては、燃料ガスの供給が遅れてしまうことによる燃料ガスの不足を防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料ガスの圧力の上昇を早め、燃料ガスの供給が遅れてしまうことによる燃料ガスの不足を防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
【００２５】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１１０と、燃料電池１１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池１１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池１１０の出力端子（図示しない）に接続され、燃料電池１１０の発電電力を消費する電力消費系と、ＩＧ（イグニッション）１５１と、アクセルペダル１５２と、これらを電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）１６０と、を備えている。そして、運転者によるアクセルペダル１５２の踏み込む量に応じて燃料電池１１０が発電し、この発電電力によって走行モータ１４１が駆動することで、燃料電池自動車が走行するようになっている。
【００２６】
＜燃料電池＞
燃料電池（燃料電池スタック）１１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００２７】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）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と、を備えている。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から主に構成されると共に、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）を含んでいる。
【００２８】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１１２（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１１１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１１２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１１０と走行モータ１４１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１１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
【００３０】
そして、このように発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。
【００３１】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク（燃料ガス供給手段）１２１と、遮断弁１２２と、減圧弁１２３と、エゼクタ１０と、圧力センサ１２４と、パージ弁１２５と、を備えている。
水素タンク１２１は、配管１２１ａ、遮断弁１２２、配管１２２ａ、減圧弁１２３、配管１２３ａ、エゼクタ１０、配管１０ａを順に介して、アノード流路１１１の入口に接続されている。そして、遮断弁１２２がＥＣＵ１６０によって開かれると、水素が配管１２１ａ等を介してアノード流路１１１に供給されるようになっている。また、水素を所定圧力に減圧する減圧弁１２３には、カソード流路１１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、前記空気の圧力と、アノード流路１１１における水素の圧力とが等しくなるように制御する構成となっている。なお、後記する排気弁１３４によって、前記信号圧は制御されている。
【００３２】
圧力センサ１２４は、燃料電池１１０に向かう水素（ガス）の圧力を検出可能なように、配管１０ａに設けられている。そして、圧力センサ１２４はＥＣＵ１６０と接続されており、ＥＣＵ１６０は燃料電池１１０に向かう水素の圧力を検知するようになっている。
【００３３】
アノード流路１１１の出口は、配管１２５ａ、パージ弁１２５、配管１２５ｂが順に接続されている。また、配管１２５ａの途中は、配管１２５ｃを介して、エゼクタ１０に接続されている。そして、配管１２５ｃの途中には、逆流を防止する逆止弁（図示しない）が設けられている。
パージ弁１２５は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このようにパージ弁１２５が閉じている場合、アノード流路１１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガス（排出燃料ガス）が、配管１２５ｃを介して、エゼクタ１０に戻され、再び、燃料電池１１０に供給、つまり、水素が循環するようになっている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合、つまり、循環する水素に同伴する不純物が増加した場合、ＥＣＵ１６０によってパージ弁１２５は開かれ、アノードオフガスが、配管１２５ｂを介して、希釈器（図示しない）に排出されるようになっている。
【００３４】
ここで、本実施形態において、水素タンク（燃料ガス供給手段）１２１から燃料電池１１０に供給される水素が流れる燃料ガス供給流路は、配管１２１ａ、遮断弁１２２、配管１２２ａ、減圧弁１２３、配管１２３ａ、エゼクタ１０、配管１０ａを備えて構成されている。そして、水素を循環させる循環流路は、配管１２５ｃによって構成されている。また、エゼクタ１０は、燃料ガス供給流路と循環流路との合流点に設けられている。
【００３５】
［エゼクタ］
次に、エゼクタ１０について詳細に説明する。
エゼクタ１０は、パージ弁１２５が閉じている状態において、水素タンク１２１からの水素を後記するノズル３０で噴射することで負圧を発生させ、配管１２５ｃ経由のアノードオフガスを吸引し、水素タンク１２１からの水素とアノードオフガスとを混合する機器である。
【００３６】
このようなエゼクタ１０は、図２、図３に示すように、基体２０と、基体２０に螺設されたノズル３０と、ノズル３０の中空部３１において、その軸線上を進退自在に移動すると共に、ノズル３０の噴射口３２に遊挿されたニードル４０と、ノズル３０の外側で基体２０に螺設されたディフューザ５０と、ディフューザ５０に外嵌したケーシング６０と、基体２０に螺設されると共にソレノイド７１を有するソレノイド部７０と、を備えている。
【００３７】
ニードル４０は、ソレノイド部７０に内蔵された圧縮コイルバネ７２によってノズル３０側に付勢されている。そして、ソレノイド７１がＯＦＦされている場合、ストッパとして機能するニードル４０の基端部４１が基体２０に当接し、ニードル４０がソレノイド７１のＯＦＦ位置で配置されるようになっている。そして、このようにニードル４０がＯＦＦ位置にある場合、ニードル４０の先端４２がノズル３０の噴射口３２から突出し、噴射口３２における水素の噴射断面積が小さくなり（ノズル３０の噴射口：小）、ノズル３０で噴射される水素タンク１２１からの水素の流量（噴射流量）が減少するように設計されている（図２参照）。
【００３８】
一方、ソレノイド７１がＥＣＵ１６０によりＯＮされた場合、ニードル４０がノズル３０に対して後退し、ソレノイド７１のＯＮ位置で配置されるようになっている。そして、このようにソレノイド７１がＯＮ位置にある場合、ニードル４０の先端４２が噴射口３２から離間し、噴射口３２における水素の噴射断面積が大きくなり（ノズル３０の噴射口：大）、水素タンク１２１からの水素の流量（噴射流量）が増加するように設計されている（図３参照）。
【００３９】
ディフューザ５０は、その中心軸線上に水素流路５１を有すると共に、その下流側に向かって、略円形の水素流路５１の断面積が徐々に縮径する縮径部５２と、断面積が最小となるスロート部５３と、断面積が徐々に拡径する拡径部５４と、を備えている。縮径部５２には、周方向において複数（例えば４つ）のアノードオフガス導入口５５が形成されている。
【００４０】
そして、パージ弁１２５（図１参照）が閉じた状態において、水素タンク１２１からの水素が、基体２０に形成された水素流路２１、ノズル３０の中空部３１を通って、噴射口３２から噴射されると、負圧が発生するようになっている。次いで、この負圧により、アノードオフガスが、配管１２５ｃ（図１参照）から、ケーシング６０のアノードオフガス導入孔６１、ディフューザ５０とケーシング６０との間に形成されたリング状の分配マニホールド空間６２、複数のアノードオフガス導入孔５５を介して、水素流路５１に吸引されるようになっている。その後、拡径部５４内の水素流路５１において、噴射された水素タンク１２１からの水素と、吸引されたアノードオフガスとが混合され、燃料電池１１０に向かうようになっている。
【００４１】
すなわち、本実施形態において、ノズル３０の噴射断面積を調整する噴射口調整手段は、ニードル４０と、ソレノイド７１と、圧縮コイルバネ７２と、ＥＣＵ１６０と、を備えて構成されている。
【００４２】
＜カソード系＞
図１に戻って説明を続ける。
カソード系は、コンプレッサ１３１と、背圧弁１３２と、オリフィス１３３と、排気弁１３４と、を備えている。
コンプレッサ１３１は、配管１３１ａを介して、カソード流路１１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ１６０の指令に従ってコンプレッサ１３１が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路１１２に供給されるようになっている。なお、配管１３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池１１０に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
このようなコンプレッサ１３１は、燃料電池１１０及び／又は燃料電池１１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
【００４３】
カソード流路１１２の出口は、配管１３２ａ、背圧弁１３２、配管１３２ｂを介して、希釈器（図示しない）に接続されている。そして、カソード流路１１２（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管１３２ａ等を介して、希釈器に排出されるようになっている。
背圧弁１３２は、バタフライ弁等であり、アクセルペダル１５２の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ＥＣＵ１６０により、その開度が制御されるようになっている。
【００４４】
そして、配管１３１ａの途中は、配管１３１ｂ、空気の流量を絞るためのオリフィス１３３、配管１３３ａを介して、減圧弁１２３に接続されている。また、配管１３１ａの途中は、配管１３１ｂ、オリフィス１３３、配管１３３ｂを介して、排気弁１３４にも接続されている。
排気弁１３４は、空気を排出する空気排出弁であり、通常は閉じられており、これによってコンプレッサ１３１からの空気は、配管１３１ｂ等を介して、減圧弁１２３に流れるようになっている。
一方、減圧弁１２３に流れる空気の量が多すぎる（空気の圧力が高すぎる）場合には、ＥＣＵ１６０によって排気弁１３４は開かれ、空気が、配管１３４ａを介して、外部に排出されるようになっている。
このように、排気弁１３４の開閉によって、減圧弁１２３に流れる空気の信号圧（パイロット圧）は制御されており、これにより、アノード流路１１１における水素の圧力が制御されるようになっている。
【００４５】
＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池自動車を走行させる電動式の走行モータ１４１と、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）１４２と、出力検出器１４３と、を備えており、走行モータ１４１は、図示しないインバータ、ＶＣＵ１４２、出力検出器１４３を順に介して燃料電池１１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
【００４６】
走行モータ１４１は、燃料電池自動車を走行させる電動モータである。
ＶＣＵ１４２は、ＥＣＵ１６０の指令に従って燃料電池１１０の発電電力（出力）を制御するユニットであり、ＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えている。すなわち、ＥＣＵ１６０が発電要求に対応してＶＣＵ１４２を適宜に制御すれば、この発電要求に応じて燃料電池１１０から電流が取り出され、燃料電池１１０が発電するようになっている。
【００４７】
出力検出器１４３は、燃料電池１１０の発電電流（出力電流）及び発電電圧（出力電圧）を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えており、電流計及び電圧計は適所に配置されている。そして、出力検出器１４３はＥＣＵ１６０と接続されており、ＥＣＵ１６０は燃料電池１１０の現在の発電電流及び発電電圧を検知するようになっている。
【００４８】
＜ＩＧ、アクセルペダル＞
ＩＧ１５１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ１５１はＥＣＵ１６０と接続されており、ＥＣＵ１６０はＩＧ１５１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００４９】
アクセルペダル１５２は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル１５２はＥＣＵ１６０と接続されており、ＥＣＵ１６０はアクセルペダル１５２の踏み込み量を検知するようになっている。
【００５０】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ１６０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、電子回路等を含んで構成されている。
そして、ＥＣＵ１６０は、ＩＧ１５１のＯＮ信号を検知すると、遮断弁１２２を開き、コンプレッサ１３１を作動させ、背圧弁１３２の開度及びＶＣＵ１４２を適宜に制御して燃料電池１１０の発電を開始するように構成されている。
【００５１】
また、ＥＣＵ１６０は、アクセルペダル１５２の踏み込み量（アクセル開度）、つまり、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて、目標圧力を算出する機能を備えている。さらに、この目標圧力と圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差を算出する機能も備えている。
【００５２】
次いで、ＥＣＵ１６０は、ソレノイド７１をＯＮしたかどうかによって、現在のノズル３０の噴射口３２における噴射断面積の大きさを判定する機能を備えている。
【００５３】
また、ＥＣＵ１６０は、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と、圧力センサにより検出される検出圧力との圧力差に基づいて、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を調整する機能を備えている。具体的には、ＥＣＵ１６０は、この圧力差が所定値以上である場合、ソレノイド７１をＯＮし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を大きくするように設定されている。一方、この圧力差が所定値よりも小さい場合、ソレノイド７１をＯＦＦし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を小さくするように設定されている（図２、図３参照）。
【００５４】
さらに、ＥＣＵ１６０は、出力検出器１４３の電流計により検出される燃料電池１１０の現在の発電電流値に基づいて、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を調整する機能を備えている。具体的には、ＥＣＵ１６０は、この発電電流値が所定値以上である場合、ソレノイド７１をＯＮし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を大きくするように設定されている。一方、この発電電流値が所定値よりも小さい場合、ソレノイド７１をＯＦＦし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を小さくするように設定されている（図２、図３参照）。
【００５５】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図４を主に参照しながら説明する。
【００５６】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１６０は、出力検出器１４３の電流計を介して、燃料電池１１０の現在の発電電流値を検出する。
【００５７】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１６０は、この発電電流値が所定値以上であるか否かを判定する。ここでいう所定値とは、現在の発電電流に必要な水素の不足が発生しないように、燃料電池１１０へ供給される水素の量（水素供給量）に基づいて、事前試験やシミュレーションにより求められた値であり、ＥＣＵ１６０に予め記憶されている。
現在の発電電流値が、この所定値以上である場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、現在の発電電流値が、この所定値よりも小さい場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０４に進む。
【００５８】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１６０は、ソレノイド７１をＯＮし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を大きくする（図３、図５参照）。
その後、ＥＣＵ１６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
【００５９】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１６０は、アクセルペダル１５２の踏み込み量（アクセル開度）、つまり、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて、目標圧力を算出する（図６参照）。なお、目標圧力としては、具体的に算出することなく、発電電流値に基づいて事前試験等により求められた値をＥＣＵ１６０に予め記憶しておき、その値を用いてもよい。
【００６０】
ステップＳ１０５において、圧力センサ１２４により配管１０ａを通流している水素の圧力を検出する。
【００６１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１６０は、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力（Ｓ１０４）と、圧力センサ１２４により検出される検出圧力（Ｓ１０５）との圧力差を算出する。
【００６２】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１６０は、ソレノイド７１をＯＮしたかどうか（Ｓ１０３）によって、現在のノズル３０の噴射口３２における噴射断面積の大きさを判定する。つまり、Ｓ１０３に進んだ場合において、噴射断面積は大きいことになる。
現在のノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が小さい（噴射口３２：小）である場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、現在のノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が大きい（噴射口３２：大）である場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０９に進む。
【００６３】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１６０は、この圧力差が第１所定値以上であるか否かを判定する。ここでいう第１所定値とは、水素の供給が遅れてしまうことによる水素の不足が発生する値であり、事前試験やシミュレーションにより求められ、ＥＣＵ１６０に予め記憶されている。
圧力差が、この第１所定値以上である場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、圧力差が、この所定値よりも小さい場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００６４】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ１６０は、この圧力差が第２所定値以上であるか否かを判定する。ここでいう第２所定値とは、前記第１所定値よりも小さな値とし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積の切り替えが頻繁に行われないようにするための値であり、ＥＣＵ１６０に予め記憶されている。
圧力差が、この第２所定値以上である場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１６０の処理はリターンを介して、スタートに戻る。一方、圧力差が、この所定値よりも小さい場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ１６０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００６５】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１６０は、ソレノイド７１をＯＦＦし、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を小さくする。
その後、ＥＣＵ１６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
【００６６】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１の構成としたので、次のような作用効果が得られる。
目標圧力と、圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差に基づいて、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を切り替える構成としたので、例えば、燃料電池自動車の起動時や加速時等において、噴射断面積の大きなノズル３０が選択される。
具体的には、目標圧力と、圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差が所定値以上である場合、噴射口調整手段は、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池１１０へ供給される水素の流量が多くなる、つまり、水素タンク１２１からの水素の供給が促進される。
【００６７】
このようにして、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を大きくすることによって、燃料電池１１０に供給される水素の流量が多くなり、起動時においては、水素の圧力の上昇が早められ、発電可能な状態までの時間を短縮することができる。また、加速時においては、水素の供給が遅れてしまうことによる水素の不足を防止することができる。
【００６８】
また、燃料電池１１０の現在の発電電流値が所定値以上である場合、噴射口調整手段は、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池１１０へ供給される水素の流量が多くなる。
【００６９】
このようにして、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積は、目標圧力と圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差が所定値以上である場合と、燃料電池１１０の現在の発電電流値が所定値以上である場合とにおいて、大きくなるように調整される。これによって、起動時や加速時等に限定されることなく、適切な量の水素を燃料電池１１０に供給することができる。
【００７０】
また、燃料電池１１０の現在の発電電流値が所定値より小さく、目標圧力と圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差が所定値以上である場合、噴射口調整手段は、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池１１０へ供給される水素の流量が多くなる。
【００７１】
このようにして、燃料電池１１０の現在の発電電流値が小さいときでもノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を大きくすることによって、燃料電池１１０に供給される水素の流量が多くなり、起動時においては、水素の圧力の上昇が早められ、発電可能な状態までの時間を短縮することができる。また、加速時においては、水素の供給が遅れてしまうことによる水素の不足を防止することができる。
【００７２】
また、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と、圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差が所定値以上である場合、噴射口調整手段は、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が大きくなるように調整する。このように噴射断面積が大きくなるように調整されることによって、燃料電池１１０へ供給される水素の流量が多くなる。
【００７３】
このようにして、目標圧力が、実際に燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて算出されることによって、噴射口調整手段は、実際に燃料電池１１０に対して指令されたノズル３０の噴射口３２における噴射断面積を選択することができる。したがって、燃料電池１１０への水素の流量を適切に制御することができる。
【００７４】
≪燃料電池システムの一動作例≫
図７を参照して、加速を例に、燃料電池システム１の一動作例を説明する。
アクセルペダル１５２が踏み込まれると、その踏み込み量（アクセル開度）、つまり、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値が大きくなる。
しかし、現在の発電電流値（Ｓ１０１）が所定値よりも小さい場合、ノズル３０の噴射口３２の噴射断面積は大きくならない（Ｓ１０２・Ｎｏ）。
そして、アクセルペダル１５２が踏み込まれると、コンプレッサ１３１は増速作動し、背圧弁１３２は閉じる方向に制御され、カソード流路１１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力される、エゼクタ１０の上流側の圧力は、指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と同じ値を示す。
しかし、エゼクタ１０の下流側の圧力は、エゼクタ１０自身の存在により、エゼクタ１０の上流側の圧力とは異なり、指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と同じ値になるのに時間がかかってしまう（比較例）。
【００７５】
そこで、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力（Ｓ１０４）と、圧力センサ１２４により検出される検出圧力（Ｓ１０５）との圧力差（Ｓ１０６）を算出し（このとき噴射口３２は小である（Ｓ１０７・Ｙｅｓ））、この圧力差が所定値（第１所定値）以上である場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、噴射口調整手段は、ノズル３０の噴射口３２における噴射断面積が大きくなるように調整する（Ｓ１０３）。
このように発電電流値が小さいときでも噴射断面積を大きくすることによって、エゼクタ１０の下流側の圧力をできるだけ早く目標圧力まで上昇させることができるようになる（実施例）。
【００７６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば、次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組み合わせてもよい。
【００７７】
前記した実施形態では、ノズル３０に対してニードル４０が２つの位置に適宜に配置され、ノズル３０の噴射口３２の噴射断面積が２段階で切り替えられる場合を例示したが、これに限定されず、図８に示すように噴射口３２の噴射断面積が３段階で（多段階）で切り替えられる構成としてもよい。さらに説明すると、図８に示すニードル８０は、ソレノイド７１側に向かって、尖った尖端部８１と、尖端部８１よりも太い中細部８２と、中細部８２よりも太い基端部８３と、を備えている。
【００７８】
そして、図８（ａ）に示すように、圧縮コイルバネ７２に付勢されて、基端部８３が噴射口３２の面上に配置される場合、噴射口３２における水素タンク１２１からの水素の噴射断面積が最も小さくなり、中細部８２（図８（ｂ）参照）、基端部８３（図８（ｃ）参照）が配置されると、段階的に大きくなるように設計されている。なお、このようにニードル８０をノズル３０に対して、３つの位置で適宜に配置させるには、ニードル８０に対して２つのソレノイド７１、７１を軸方向に１列で配置し、この２つのソレノイド７１、７１を適宜にＯＮ／ＯＦＦすることで構成することができる。また、単一のソレノイド７１の場合は、電流値を用いて制御してもよい。
このように、３段階で水素の噴射断面積を変化させることによって、水素タンク１２１からの水素の噴射流量を３段階で適切に制御することができ、その結果として、燃料電池１１０への水素の流量を適切に制御することができる。
【００７９】
前記した実施形態では、ノズル３０に対してニードル４０が適宜に配置され、ノズル３０の噴射口３２の噴射断面積が切り替えられる燃料電池システム１に本発明を適用したが、これに限定されるものではない。例えば、噴射断面積の異なる複数の、例えば、噴射口が大、中、小からなるノズル３０を備える燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【００８０】
前記した実施形態では、燃料電池１１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて算出される目標圧力と、圧力センサ１２４により検出される検出圧力との圧力差が所定値以上である場合の所定値について、ある一つの値の場合を例示したが、その所定値は変更することが可能である。
例えば、高速走行中でさらに加速する場合で、圧力センサ１２４により検出される検出圧力が高いときには、ＥＣＵ１６０によって、所定値が大きくなるようにする。これによって、ノズル３０の噴射口３２の噴射断面積が大きくなりにくくなり、燃料電池１１０への水素の流量が多くなりすぎず、その結果として、燃料電池１１０における圧力のオーバーシュート（行き過ぎ）を抑えることができる。
【００８１】
前記した実施形態では、燃料ガスとして水素を用いた場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、メタン等、燃料ガスとして用いることができるものであればよい。
【００８２】
前記した実施形態では、未反応の水素を含むアノードオフガスが、そのまま、エゼクタ１０に循環させる燃料電池システム１に本発明を適用したが、これに限定されるものではない。
例えば、アノードオフガス中の水分等の不純物を取り除くために、未反応の水素を含むアノードオフガスを、気液分離器（図示しない）を介して、エゼクタ１０に戻して、アノード流路１１１に再供給する燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【００８３】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るエゼクタの側断面図であり、ソレノイドがＯＦＦされ、ノズルにおける水素の噴射口（噴射断面積）が小さい状態を示す図である。
【図３】本実施形態に係るエゼクタの側断面図であり、ソレノイドがＯＮされ、ノズルにおける水素の噴射口（噴射断面積）が大きい状態を示す図である。
【図４】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５】現在の発電電流値と、水素供給量との関係を示すマップである。
【図６】アクセル開度（指令発電電流値）と、目標圧力との関係を示すマップである。
【図７】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。
【図８】本実施形態の変形例に係るノズルとニードルとの関係を示す側断面図であり、（ａ）はノズルにおける水素の噴射口（噴射断面積）が小さい状態、（ｂ）は噴射口が中である状態、（ｃ）は噴射口が大きい状態、をそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１      燃料電池システム
１０    エゼクタ
３０    ノズル
３２    噴射口
４０    ニードル（噴射口調整手段）
７１    ソレノイド（噴射口調整手段）
７２    圧縮コイルバネ（噴射口調整手段）
１１０  燃料電池
１２１  水素タンク（燃料ガス供給手段）
１２１ａ、１２２ａ、１２３ａ、１０ａ  配管（燃料ガス供給流路）
１２４  圧力センサ
１２５ｃ  配管（循環流路）
１６０  ＥＣＵ（噴射口調整手段）
【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】
0005302565.tif 000006
【図６】
0005302565.tif 000007
【図７】
0005302565.tif 000008
【図８】
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