(57)【要約】【課題】燃料供給系に異常が発生した時でも燃料電池の破損を抑制することが可能であり、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムとその運転方法を提供すること。【解決手段】燃料電池１０と、この燃料電池１０に燃料ガスを供給するための水素ガス配管系３と、この水素ガス配管系３の上流側の圧力を調整して下流側に供給するインジェクタ３５と、を備えた燃料電池システム１において、インジェクタ３５に異常が生じた場合にインジェクタ３５内のソレノイド５３に通電することにより、燃料ガスを加熱膨張させ、燃料電池１０に作用する圧力を低減する。【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、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記インジェクタに異常が生じた場合に前記インジェクタの下流側の圧力を低減する圧力低減手段を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に前記インジェクタ内の燃料ガスを膨張させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部と、を備えてなり、
前記水分低減手段は、前記弁体駆動部への通電により前記燃料ガスを加熱膨張させる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記インジェクタの上流側に燃料供給源からの燃料ガス供給を遮断する遮断弁を備え、
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に、前記遮断弁を閉弁し、前記インジェクタの弁体駆動部に印加可能な最高印加電圧にて連続通電する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスを外部にパージする排出流路と、
前記排出流路に配設され前記圧力低減手段により開閉動作が制御されるパージ弁と、を備え、
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に、前記パージ弁を開弁する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記パージ弁を通過した燃料ガスのオフガス中の燃料ガス濃度を前記燃料電池から排出された酸化ガスのオフガスによって処理する燃料ガス処理器を備え、
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に前記燃料電池に供給する酸化ガス量を減少させる請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタの燃料ガス通過流量が所定値以上の場合に、前記弁体駆動部への通電を行う請求項３乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合であって、前記インジェクタの燃料ガス通過流量が前記所定値未満の場合には、前記遮断弁を閉弁し、前記インジェクタの許容電流以下の電流を前記弁体駆動部に通電する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタの燃料ガス通過流量を判定している間は、前記弁体駆動部に印加可能な最高印可電圧にて連続通電する請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
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、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記インジェクタに異常が生じた場合に、前記インジェクタの下流側の圧力を低減する工程を備える燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のガス供給系にインジェクタが設けられた燃料電池システムとその運転方法に関する。
【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。近年においては、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）。
【特許文献１】特開２００４‐１３９９８４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に記載されているような従来の機械式の可変調圧弁は、その構造上、燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である（すなわち応答性が低い）上に、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であった。
【０００５】
また、従来の機械式の可変調圧弁は、比較的複雑な構成を有しているため、大型で重量が大きく製作費用が嵩んでしまう。さらに、従来の機械式の可変調圧弁は、単に燃料ガスの供給圧力を変化させるものであるため、燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を別途設ける必要がある。このため、システムの大型化（設置スペースの増大）や設備費用の増大を招来せしめるという問題がある。
【０００６】
そこで、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムが望まれているが、燃料電池システムの燃料供給系は高圧の燃料ガスを下流側の燃料電池に供給するものであり、仮に当該燃料供給系に配設された例えば調圧弁に異常等が発生した場合であっても、燃料電池に高圧が印加されることは回避しなければならない。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料供給系に異常が発生した時でも燃料電池の破損を抑制することが可能であり、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムとその運転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】
【０００８】
本発明の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、を備えた燃料電池システムにおいて、前記インジェクタに異常が生じた場合に前記インジェクタの下流側の圧力を例えばインジェクタの正常時に比べて低減する圧力低減手段を備えるものである。
【０００９】
この構成によれば、例えばインジェクタに開弁異常（例えば、開固着）等、燃料電池側に想定外のインジェクタ上流側圧力が印加される異常が発生した場合であっても、インジェクタよりも下流側の圧力、すなわち、燃料電池に作用する圧力が例えばインジェクタの正常時に比べて低減されるので、燃料電池の破損を抑制することができる。なお、「ガス状態」とは、ガスの状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）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。
【００１０】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に前記インジェクタ内の燃料ガスを膨張させるものでもよい。
【００１１】
インジェクタ内の燃料ガスが膨張すると、体積流量が増すので、インジェクタを通過する燃料ガスの重量流量は減少する。これにより、燃料電池に最終的に印加される圧力は低下し、燃料電池の破損を抑制することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部と、を備えてなり、前記水分低減手段は、前記弁体駆動部への通電により前記燃料ガスを加熱膨張させるものでもよい。
【００１３】
この構成によれば、弁体駆動部への通電による発熱によって燃料ガスが加熱され、該燃料ガスの体積が膨張する。これにより、燃料ガスの体積流量が増し、インジェクタを通過する燃料ガスの重量流量が減少するので、燃料電池に最終的に印加される圧力は低下する。
【００１４】
例えば、前記インジェクタの上流側に燃料供給源からの燃料ガス供給を遮断する遮断弁を備えた燃料電池システムにおいて、前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に、前記遮断弁を閉弁し、前記インジェクタの弁体駆動部に印加可能な最高印加電圧にて連続通電するものでもよい。
【００１５】
この構成によれば、燃料ガスの昇温速度を上げることが可能となり、燃料電池への印加圧力の低減を短時間で行うことができる。なお、インジェクタの弁体駆動部に印加可能な最高印加電圧とは、所定時間の連続通電によって、インジェクタの破損を招いたり、耐久寿命を極端に低下させるような電圧をいい、例えば開弁に必要な保持電流以上の通電が可能な電圧である。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスを外部にパージする排出流路と、前記排出流路に配設され前記圧力低減手段により開閉動作が制御されるパージ弁と、を更に備え、前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に、前記パージ弁を開弁するものでもよい。
【００１７】
この構成によれば、インジェクタの上流側から燃料電池に供給される燃料ガスが燃料電池内のガス流路を通過して排出流路から外部へと放出されるので、燃料電池に最終的に印加される圧力が低下する。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、前記パージ弁を通過した燃料ガスのオフガス中の燃料ガス濃度を前記燃料電池から排出された酸化ガスのオフガスによって処理する燃料ガス処理器を備え、前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合に前記燃料電池に供給する酸化ガス量を減少させるものでもよい。
【００１９】
この構成によれば、燃料電池への酸化ガス供給量を減少させることにより、パージ弁よりも下流側に位置する燃料ガス処理器内の圧力が低減する結果、パージ弁の背圧が低下するので、燃料電池から排出流路を介して外部に排出される燃料ガスのオフガス放出が促進される。これにより、燃料電池に印加される圧力は低下する。
【００２０】
なお、燃料ガス処理器としては、燃料オフガス中の燃料ガスを酸化オフガスによって希釈する希釈器の他に、当該燃料ガスを燃焼させる酸化触媒を備えたコンバスタや燃焼器等の採用が可能である。
【００２１】
前記圧力低減手段は、前記燃料電池内における燃料ガス圧力がピークを越えた後に前記酸化ガス量を増加させるものでもよい。
【００２２】
上記したようにインジェクタに異常が生じた場合に燃料電池に供給する酸化ガス量を減少させると、燃料ガス処理器内に導入される燃料ガスのオフガス流量と酸化ガスのオフガス流量とのバランスが崩れ、外部に排出される燃料ガス濃度が増加してしまうところ、この構成によれば、排出される燃料ガス濃度を極力低減することができる。
【００２３】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタの燃料ガス通過流量が所定値以上の場合に、前記弁体駆動部への通電を行うものでもよい。この燃料ガス通過流量は、例えばインジェクタの二次圧の上昇速度から判定することができる。
【００２４】
この構成によれば、インジェクタの燃料ガス通過流量が所定値未満であり、インジェクタ下流側（特に、燃料電池）の破損を招く虞がない場合、つまり、インジェクタ内における燃料ガスの加熱が不要な場合に、弁体駆動部への通電を行わないことにより、インジェクタの破損抑制及び寿命向上を図ることができる。
【００２５】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタに異常が生じた場合であって、前記インジェクタの燃料ガス通過流量が前記所定値未満の場合には、前記遮断弁を閉弁し、前記インジェクタの許容電流（インジェクタが異常とならない或いは故障しない一般的な最大許容電流）以下の電流を前記弁体駆動部に通電するものでもよい。
【００２６】
この構成によれば、インジェクタの破損及び寿命低下を招来しない範囲で、可能な限り燃料電池への最終的な印加圧力を下げることが可能となる。
【００２７】
前記圧力低減手段は、前記インジェクタの燃料ガス通過流量を判定している間は、前記弁体駆動部に印加可能な最高印可電圧にて連続通電するものでもよい。
【００２８】
この構成によれば、燃料ガス通過流量を判定している間（例えば、約５０ｍｓ）に、燃料電池にインジェクタ上流側からの高圧燃料ガスが印加されることを抑制することができる。
【００２９】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、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、を備えた燃料電池システムの運転方法において、前記インジェクタに異常が生じた場合に、前記インジェクタの下流側の圧力を例えばインジェクタの正常時に比べて低減する工程を備えるものである。
【００３０】
この構成によれば、例えばインジェクタに開弁異常（例えば、開固着）等、燃料電池側に想定外のインジェクタ上流側圧力が印加される異常が発生した場合であっても、インジェクタよりも下流側の圧力、すなわち、燃料電池に作用する圧力が例えばインジェクタの正常時に比べて低減されるので、燃料電池の破損を抑制することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、インジェクタに異常が生じた場合にその下流側の圧力が低減されることで、燃料電池の破損を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
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。
【００３３】
まず、図１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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、後述するパージ弁３７を通過した燃料オフガス中の燃料ガス濃度（水素濃度）を酸化ガスによって希釈する希釈器（燃料ガス処理器）４０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。
【００３７】
水素ガス配管系３は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）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（燃料ガスのオフガス）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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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６５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。
【００４３】
インジェクタ３５は、弁体６５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等のガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。つまり、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。
【００４４】
図３は、インジェクタ３５の一実施例を示す断面図である。このインジェクタ３５は、水素供給流路（燃料供給系）３１の一部を構成するとともに、一方の口部５１において水素供給流路３１の水素タンク３０側に配置され他方の口部５２において水素供給流路３１の燃料電池１０側に配置される内部流路５３が形成された金属製のシリンダ５４を有しており、このシリンダ５４には、口部５１に繋がる第１通路部５６と、この第１通路部５６の口部５１とは反対側に繋がる、第１通路部５６よりも大径の第２通路部５７と、この第２通路部５７の第１通路部５６とは反対側に繋がる、第２通路部５７よりも大径の第３通路部５８と、この第３通路部５８の第２通路部５７とは反対側に繋がる、第２通路部５７および第３通路部５８よりも小径の第４通路部５９とが形成されており、これらで内部流路５３が構成されている。
【００４５】
また、インジェクタ３５は、第４通路部５９の第３通路部５８側の開口部を囲むように設けられたシール性部材からなる弁座６１と、第２通路部５７に移動可能に挿入される円筒部６２および第３通路部５８内に配置される第２通路部５７よりも大径の傘部６３を有し傘部６３に斜めに連通穴６４が形成された金属製の弁体６５と、弁体６５の円筒部６２に一端側が挿入されると共に他端側が第１通路部５６内に形成されたストッパ６６に係止されることで弁体６５を弁座６１へ当接させて内部流路５３を遮断するスプリング６７と、弁体６５をスプリング６７の付勢力に抗して第３通路部５８の第２通路部５７側の段部６８に当接するまで移動させることで弁体６５を弁座６１から離間させて連通穴６４で内部流路５３を連通させるソレノイド（弁体駆動部）６９と、を有している。
【００４６】
本実施形態において、インジェクタ３５の弁体６５は、電磁駆動装置であるソレノイド６９への通電制御により駆動され、このソレノイド６９に給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、内部流路５３の開口時間（開弁時間）又は開口面積を２段階、多段階、連続的（無段階）、又はリニアに切り替えることができるようになっている。すなわち、インジェクタ３５の開閉状態の制御方法としては、少なくとも、開弁時間を変更する方式と、開口面積を変更する方式とが存在する。
【００４７】
そして、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。
【００４８】
以上のとおり、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の内部流路５３に設けられた弁体６５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。
【００４９】
なお、インジェクタ３５の弁体６５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。
【００５０】
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。
【００５１】
循環流路３２には、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と、を外部に排出（パージ）するものである。
【００５２】
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。
【００５３】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）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、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。
【００５８】
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（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいて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：Ｂ３）。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（圧力差低減補正流量）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、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。
【００５９】
また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、フィードフォワード補正流量と、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：Ｂ７）。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インジェクタ３５の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：Ｂ８）。
【００６３】
ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の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。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。
【００６４】
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。
【００６５】
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において燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。
【００６６】
ところで、インジェクタ３５内で弁体６５が噴射孔を開状態にしたまま固着する等して、インジェクタ３５に開弁異常が発生すると、インジェクタ３５の一次圧が減圧されないまま、あるいは減圧が不十分なまま燃料電池１０に印加され、燃料電池１０の破損を招く場合がある。
【００６７】
このような場合に、単に遮断弁３３を閉弁するだけでは、遮断弁３３からインジェクタ３５間に存在する高圧の水素ガスが燃料電池１０に流れ込むので、燃料電池１０内の圧力が上昇してしまうことは避けられない。そこで、本実施形態の制御装置４は、インジェクタ３５に異常が生じた場合に、インジェクタ３５の下流側の圧力、すなわち、燃料電池１０に印加される（作用する）圧力を例えばインジェクタ３５の正常時の圧力に比べて低減する圧力低減処理を行い、燃料電池１０の破損を抑制する。
【００６８】
つまり、本実施形態の制御装置４は、インジェクタ３５の通電制御、遮断弁３３の開閉制御等を行う圧力低減手段の一実施形態である。以下、この制御装置４による圧力低減処理について詳細に説明する。
【００６９】
制御装置４は、インジェクタ３５に異常が生じた場合に、まず遮断弁３３を閉弁し、次いでインジェクタ３５内のソレノイド５３に印加可能な最高印加電圧にて連続通電する。インジェクタ３５の異常検知は、例えば二次側圧力センサ４３で検出された二次側圧力と所定の閾値とを比較する、あるいは、この二次側圧力と一次側圧力センサ４１で検出された一次側圧力との偏差と、所定の閾値とを比較すること等により行う。
【００７０】
インジェクタの通過流量Ｑは、
【数１】
2007184169.tif 000003
となる。
【００７１】
ここで、Ｃvは流量係数、Ｓは弁シートのシート径面積（本実施形態では、第４通路部５９の開口面積）、Ｃ1は係数である。インジェクタ３５からパージ弁３７までの体積をＶ0とすると、この区間の圧力変化は、
【数２】
2007184169.tif 000004
となる。
【００７２】
すなわち、温度Ｔ1を上げることにより、燃料ガスが膨張して体積流量が増加し、インジェクタ３５を通過する燃料ガスの通過流量Ｑは減少する。本実施形態においては、制御装置４がソレノイド５３に対して最高印可電圧にて連続通電する。これにより、短時間でガスの通過流量Ｑを減少させることが可能となる。
【００７３】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５が開弁異常となった場合においても、燃料電池１０に最終的に印加される圧力を低減させ得て、燃料電池１０の破損を抑制することができる。しかも、インジェクタ３５への通電を最高印加電圧での連続通電としたことで、燃料ガスの昇温速度を上げることが可能となり、燃料電池１０への印加圧力の低減を短時間で行うことができる。
【００７４】
また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の運転状態（燃料電池の発電量（電力、電流、電圧）、燃料電池１０の温度、燃料電池システム１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３５の作動状態（インジェクタ３５の弁体６５の開度（ガスの通過面積）、インジェクタ３５の弁体６５の開放時間（ガスの噴射時間）等）を設定することができる。
【００７５】
従って、燃料電池１０の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。さらに、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。
【００７６】
すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。
【００７７】
上記した実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り、各種構成部品を適宜設計することができる。また、後述する他の実施形態を適宜組み合わせて適用してもよい。
【００７８】
例えば、上記圧力低減処理において、制御装置４は、インジェクタ３５に異常が生じた場合に、前記パージ弁３７を開弁するようにしてもよい。この場合、パージ弁３７による排出流量をＱexとおくと、圧力変化は、
【数３】
2007184169.tif 000005
となる。
【００７９】
すなわち、水素オフガスが燃料電池システム１の外部に排出される分、燃料電池１０に最終的に印加される圧力はさらに低下する。
【００８０】
また、上記圧力低減処理において、制御装置４は、インジェクタ３５に異常が生じた場合に、燃料電池１０に供給するエア（酸化ガス）流量をそれまでのエア流量よりも減少させることで、パージ弁３７の下流圧を下げるようにしてもよい。これにより、パージ弁３７の背圧が低下し、希釈器４０の下流側に設けられている不図示のマフラーでの圧損が低下する結果、パージ弁３７を通過する水素オフガスの流量が増加し、燃料電池１０に最終的に印加される圧力は低下する。
【００８１】
このときのエア流量制御は、エアコンプレッサ２４の回転数を低下させることにより行ってもよいが、空気排出流路２２に設けられている不図示の調圧弁を制御する方が、高い応答性を得ることができる点で有利である。
【００８２】
さらに、このエア流量制御では、燃料電池１０内の水素ガス圧力がピークを越えた後にエア流量を増加させることが好ましい。具体的には、図４に示すように、エア流量を減少させて燃料電池１０内の水素圧力がピークを越えた後に、エア流量を適切な値に増加させる。エア流量を減少させたままでは、外部に排出される水素オフガス中の水素濃度が増加してしまうが、上記のタイミングでエア流量を増加させることで、排気水素量と希釈エア量とのバランスが戻り、排気水素濃度の増加が抑制される。
【００８３】
また、上記圧力低減処理において、制御装置４は、インジェクタ３５の通過流量が所定値以上の場合にのみ、ソレノイド６９に最高印加電圧で連続通電することによる水素ガスの加熱を行うようにしてもよい。すなわち、インジェクタ３５の通過流量が少なく、圧力低減処理が不必要な場合には、インジェクタ３５の破損あるいは寿命低下の可能性がある最高印加電圧での連続通電を行わないようにする。
【００８４】
この場合において、制御装置４は、インジェクタ３５の通過流量をインジェクタ３５の二次圧の上昇速度から判定することができる。詳細には、図５に示すように、二次側圧力センサ４３で検出される燃料電池１０の入口側圧力の単位時間当たりの増加量ｄＰ／ｄｔが所定の上限値より大きい場合（図５の実線参照）に、インジェクタ３５の通過流量が所定の上限値を超えたと判定することができる。
【００８５】
また、上記圧力低減処理において、制御装置４は、上記ｄＰ／ｄｔが所定の上限値未満の場合（図５の鎖線参照）は、インジェクタ３５よりも上流に設けられた遮断弁３３を閉弁し、インジェクタ３５のソレノイド６９に連続通電可能な電流、例えば開弁に必要な突入電流と、開弁後に開弁状態を保持するのに必要な開弁保持電流との間の適宜の電流にて通電するようにしてもよい。
【００８６】
このとき、例えば図６に示すようなマップを参照して、ソレノイド６９に通電する電流及び時間を決定する。また、同図に示すように、雰囲温度が低くなるほど、同じ時間通電する場合の電流は高く設定される。この実施形態では、インジェクタ３５の破損あるいは寿命低下を来たさない範囲で、可能な限り燃料電池１０に最終的に印加される圧力を下げることができる。
【００８７】
また、上記圧力低減処理において、制御装置４は、インジェクタ３５の通過流量を判定している間は、ソレノイド６９に最高印可電圧で連続通電してもよい。これにより、通過流量を判定している間に、燃料電池１０にインジェクタ３５の上流側からの高圧の水素ガスが作用することが抑制される。判定に必要な時間は、例えば約５０ｍｓ程度と極めて短時間であるため、最高印可電圧での連続通電によってインジェクタ３３が破損あるいは寿命低下することはない。
【００８８】
さらにまた、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】
【００８９】
【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に用いられるインジェクタの縦断面図である。
【図４】パージ弁を一時的に開弁し、エア流量を一時的に減少させた場合の燃料電池の水素圧及び排気水素濃度を示した図である。
【図５】インジェクタの二次圧の上昇速度を示した図である。
【図６】印加時間と印加電流と雰囲温度との関係について示したマップ図である。
【符号の説明】
【００９０】
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（圧力低減手段）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路、３３…遮断弁、３５…インジェクタ、３７…パージ弁、３８…排出流路、４０…希釈器（燃料ガス処理器）、５３…内部流路、６５…弁体、６９…ソレノイド（弁体駆動部）
【図１】
2007184169.tif 000006
【図２】
2007184169.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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