(57)【要約】【課題】可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量（パージ量）の安定化を図る。【解決手段】燃料電池２と、燃料供給源２１から供給される燃料ガスを燃料電池２へと流すための供給流路２２と、供給流路２２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２８と、燃料電池２から排出される燃料オフガスを流すための排出流路２３と、排出流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁３１と、を備える燃料電池システム１において、可変ガス供給装置２８からのガス供給状態の変化に対応して排気弁３１の開閉状態を制御する排気制御手段７を備える。【選択図】図１
2007305563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、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、この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、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排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して前記排気弁の開閉状態を制御する排気制御手段を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記排気制御手段は、前記可変ガス供給装置から前記燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化及び流量変化の少なくとも一方に基づいて、前記排気弁の開閉状態を変更するものである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出流路に設けられた気液分離器を備え、
前記排気弁は、前記気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁である、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排気弁の開放時点からの排気量を算出する排気量算出手段を備え、
前記排気制御手段は、前記排気量算出手段で算出した排気量が所定の目標排気量に到達したときに前記排気弁を閉鎖するものである、
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】
前記排気制御手段は、前記排気量算出手段で算出した排気量が、前記燃料電池の発電状態に基づいて設定される目標排気量に到達したときに前記排気弁を閉鎖するものである、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排気制御手段は、前記排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて前記排気弁の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して前記排気弁を閉鎖するものである、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出流路から前記排気弁を介して排出されたガスを希釈するための希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段と、
前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われているか否かを判定する異常検出手段と、を備え、
前記排気制御手段は、前記異常検出手段で前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定した場合に、前記希釈ガス供給手段からの希釈ガスの供給量に応じて前記排気弁の開弁時間を制限するものである、
請求項４から６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記希釈ガス供給手段は、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを前記希釈ガスとして供給するものである、
請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排気量算出手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて前記排気弁からの排気量を算出するものであり、
前記異常検出手段は、前記可変ガス供給装置の異常を検出した場合に前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定するものである、
請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを備え、
前記排気量算出手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて前記排気弁からの排気量を算出するものであり、
前記異常検出手段は、前記センサの異常を検出した場合に前記排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定するものである、
請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記可変ガス供給装置は、インジェクタである、
請求項１から１０の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池と、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、この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、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排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの排気量推定方法であって、
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて前記排気弁からの排気量を算出する算出工程を含む排気量推定方法。
【請求項１３】
前記算出工程では、前記可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、前記可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、前記排気弁からの排気量を算出する、請求項１２に記載の排気量推定方法。
【請求項１４】
前記可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを設け、
前記算出工程では、前記センサで検出されたガス供給状態と、所定の目標供給状態との偏差が所定の閾値を超えた時点から、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算を開始する請求項１２に記載の排気量推定方法。
【請求項１５】
前記算出工程は、前記燃料電池の発電時における燃料ガスの消費量の変化分に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する発電補正工程を含む請求項１２に記載の排気量推定方法。
【請求項１６】
前記算出工程は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスの温度に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する温度補正工程を含む請求項１２に記載の排気量推定方法。
【請求項１７】
前記算出工程は、前記燃料電池システムの燃料ガス流路におけるガス漏れ量に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する漏れ補正工程を含む請求項１２に記載の排気量推定方法。
【請求項１８】
前記漏れ補正工程では、前記燃料電池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燃料ガスのクロスリーク量に基づいて前記排気弁からの排気量を補正する請求項１７に記載の排気量推定方法。
【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排気量推定方法に関する。
【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、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排気弁を設け、この排気弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガス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、現在においては、排気弁を通過するガスの流量が所定値を超えた場合に排気弁を閉じるように制御する技術（特許文献１参照。）や、燃料電池の発電状態に応じて排出時間を設定することにより、発電状態に対応する要求排出量と同量の排気を実現させる技術（特許文献２参照。）が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１７９０００号公報
【特許文献２】特開２００５−１４１９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、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。そして、近年においては、この燃料供給流路に機械式可変レギュレータ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させる技術が提案されている。
【０００５】
前記したような可変ガス供給装置を設けた場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの状態量（圧力、流量、温度等）が逐次変化することとなる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて前記特許文献１や前記特許文献２に記載されたような技術を採用するだけでは、排気弁からの排気量（パージ量）の安定化を実現させることが困難であった。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量（パージ量）の安定化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、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、この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、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して排気弁の開閉状態を制御する排気制御手段を備えるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化に対応して、排気弁の開閉状態の制御（排気弁の開閉時間の変更・補正等）を実現させることができる。従って、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量（パージ量）を安定させ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。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化及び流量変化の少なくとも一方に基づいて、排気弁の開閉状態を変更する排気制御手段を採用することができる。
【００１０】
また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路に気液分離器を設け、この気液分離器の液溜部からの排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁を排気弁として採用することもできる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の開放時点からの排気量を算出する排気量算出手段を備えてもよい。かかる場合には、排気量算出手段により算出された排気量が所定の目標排気量（例えば燃料電池の発電状態に基づいて設定される値）に到達したときに排気弁を閉鎖する排気制御手段を採用することができる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて排気弁の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気弁を閉鎖する排気制御手段を採用することもできる。
【００１３】
かかる構成を採用すると、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの圧力変化等に起因して排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなり、排気弁の閉じ遅れが想定されるような場合においても、その閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気弁を閉鎖することができる。従って、排気弁の閉じ遅れを抑制することができる。なお、「閉じ遅れ量」とは、所定の基準状態（例えば、排気弁の上流側圧力と下流側圧力との差が比較的小さい一定の状態）における排気弁閉鎖時と、非基準状態における排気弁閉鎖時と、の差である閉じ遅れ時間や、この閉じ遅れ時間に対応して発生する超過排気量（目標排気量を超過する排気量）等の閉じ遅れに係る物理量を意味する。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路から排気弁を介して排出されたガスを希釈するための希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段と、排気量算出手段による排気量算出が正常に行われているか否かを判定する異常検出手段と、を備えることができる。かかる場合において、異常検出手段で排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定した場合に、希釈ガス供給手段からの希釈ガスの供給量に応じて排気弁の開弁時間を制限する排気制御手段を採用することができる。
【００１５】
かかる構成を採用すると、排気量算出手段による排気量算出が正常に行われない状況下においても、排気弁の開放状態が長期間持続することを抑制することができる。従って、排気弁から高濃度の燃料ガスが排出されることを抑制することが可能となる。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして供給する希釈ガス供給手段を採用することができる。
【００１７】
かかる構成を採用すると、燃料電池から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして有効利用することができる。
【００１８】
また、前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、可変ガス供給装置の異常を検出した場合に排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定する異常検出手段と、を採用することができる。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを備えることができる。かかる場合において、可変ガス供給装置からのガス供給状態に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段と、センサの異常を検出した場合に排気量算出手段による排気量算出が正常に行われていないものと判定する異常検出手段と、を採用することができる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、本発明に係る排気量推定方法は、燃料電池と、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、この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、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、を備える燃料電池システムの排気量推定方法であって、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて排気弁からの排気量を算出する算出工程を含むものである。
【００２３】
かかる方法を採用すると、排出流路内のガスを外部に排出している間（パージ動作中）に、可変ガス供給装置からのガス供給状態が変化した場合においても、その変化分（例えば、可変ガス供給装置の下流側における圧力低下分や、この圧力低下分を補うための可変ガス供給装置による補正流量）に基づいて排気弁からの排気量（パージ量）を正確に推定（算出）することが可能となる。従って、この推定した排気量を所定の目標排気量に近付けるように排気弁の開閉動作を制御すると、その制御精度が向上するため、排気量の安定化を実現させ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。また、「ガス供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味する。
【００２４】
前記排気量推定方法において、算出工程では、可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、排気弁からの排気量を算出することができる。なお、「ガス補正供給流量」とは、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うために可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスの流量を意味する。
【００２５】
また、前記排気量推定方法において、可変ガス供給装置からのガス供給状態を検出するセンサを設け、算出工程では、センサで検出されたガス供給状態と、所定の目標供給状態と、の偏差が所定の閾値を超えた時点から、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算を開始することが好ましい。
【００２６】
このようにすることにより、可変ガス供給装置からのガス供給状態の微小な変化（例えば排水時における微小な圧力変化）に起因する排気量の算出誤差を抑制することができる。なお、「目標供給状態」とは、可変ガス供給装置から燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態の目標値（例えば、排気直前における燃料ガスの圧力値等）を意味する。
【００２７】
また、前記排気量推定方法において、算出工程は、燃料電池の発電時における燃料ガスの消費量の変化分に基づいて排気弁からの排気量を補正する発電補正工程や、燃料電池から排出される燃料オフガスの温度に基づいて排気弁からの排気量を補正する温度補正工程や、燃料電池システムの燃料ガス流路におけるガス漏れ量（例えば燃料電池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燃料ガスのクロスリーク量）に基づいて排気弁からの排気量を補正する漏れ補正工程を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、排気弁からの排気量（パージ量）の安定化を実現させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
まず、図１及び図２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。
【００３１】
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が取り付けられている。
【００３２】
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、後述する希釈器３４において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し（図１の「Ｂ」参照）、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。
【００３３】
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。
【００３４】
水素供給源２１は、本発明における燃料供給源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。
【００３５】
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。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。
【００３６】
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に相当する。
【００３７】
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。
【００３８】
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に相当する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）及び下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３２及び下流側圧力センサ３３が設けられている。これら圧力センサで検出された水素オフガスの圧力に係る情報は、後述するパージ制御に用いられる。循環流路２３は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁３１は本発明における排気弁の一実施形態である。
【００４１】
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、希釈器３４において排気流路１２内の酸化オフガス（空気）と合流して希釈されるようになっている。排気流路１２内の酸化オフガスは、本発明における希釈ガスの一例である。また、排気流路１２は、排気排水弁３１を介して排出された水素オフガスを希釈するための希釈ガス（酸化オフガス）を供給するものであり、本発明における希釈ガス供給手段の一実施形態に相当する。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。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。
【００４２】
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、燃料電池２から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ４４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。温度センサ４４で検出された冷媒の温度（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）は、後述するパージ制御に用いられる。
【００４３】
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。
【００４４】
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を充電したり補助的に電力を供給したり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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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）。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。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。
【００５０】
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、循環流路２３内の水分及び水素オフガスを排気排水弁３１から外部に排出する。
【００５１】
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、算出したパージ量が目標パージ量未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量が目標パージ量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）。すなわち、制御部７は、本発明における排気制御手段及び排気量算出手段として機能する。
【００５２】
なお、制御部７は、圧力センサ３２で検出された排気排水弁３１の上流側圧力と、圧力センサ３３で検出された排気排水弁３１の下流側圧力と、の差に基づいて排気排水弁３１の閉じ遅れ量を算出する（閉じ遅れ量算出機能：Ｂ９ａ）。そして、制御部７は、算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気排水弁３１を閉鎖する。本実施形態においては、閉じ遅れ量として、排気排水弁３１の閉じ遅れ時間と、この閉じ遅れ時間に対応する超過排気量（目標パージ量を超過する排気量）と、を採用している。
【００５３】
ここで、制御部７のパージ量算出機能Ｂ７についてさらに詳細に説明する。
【００５４】
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と、温度センサ４４で検出された冷媒の温度と、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、以下の式を用いて、圧力変化対応流量「Ｑ１」を算出している。
【００５５】
【数１】
2007305563.tif 000003
【００５６】
前記式において、「ΔＰ」は、インジェクタ２８の下流位置におけるパージ直前の水素ガスの圧力値（水素基準圧）からパージ後の水素ガスの圧力値（水素現在圧）を減じて得た圧力低下分を意味している。また、「Ｐａ」は標準大気圧を、「Ｖ」は水素系体積を、「Ｔ」は温度センサ４４で検出された冷媒の温度（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）を、各々意味している。
【００５７】
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）。本実施形態においては、圧力センサ２９に所定の不感帯を設けておき、圧力センサ２９で検出される水素現在圧（ガス供給状態）と水素基準圧（目標供給状態）との偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合に、制御部７がフィードバック補正流量の時間積算を開始するようにしている。このようにすることにより、排水時における微小な圧力変動の影響を抑制することが可能となる。
【００５８】
さらに、制御部７は、パージ開始時点からの燃料電池２における水素消費量変化分の時間積算値Ｑ３を算出する（水素消費量変化分積算機能：Ｂ７ｃ）とともに、インジェクタ２８の下流位置における水素ガスの圧力値（圧力センサ２９での検出圧力値）に基づいて、クロスリーク量Ｑ４（燃料電池２内部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量）を算出する（クロスリーク量算出機能：Ｂ７ｄ）。本実施形態においては、インジェクタ２８の下流位置における水素ガスの圧力値とクロスリーク量との関係を表す特定のマップを用いて、クロスリーク量Ｑ４を算出している。
【００５９】
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、を加算した値（Ｑ１＋Ｑ２）から、パージ開始時点からの燃料電池２における水素消費量変化分の時間積算値Ｑ３とクロスリーク量Ｑ４とを減じることにより、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）。
【００６０】
また、制御部７は、パージ量Ｑの算出が正常に行われているか否かを判定し、パージ量Ｑの算出が正常に行われていないものと判定した場合に、排気流路１２を介して供給される酸化オフガス（希釈ガス）の供給量に応じて、排気排水弁３１の開弁時間を制限する。すなわち、制御部７は、本発明における異常検出手段としても機能する。パージ量Ｑの算出の異常判定は、種々の方法を採用することができる。例えば、インジェクタ２８に断線や短絡等の何らかの異常が発生した場合や、インジェクタ２８の下流側に配置された圧力センサ２９が故障した場合には、前記した圧力変化対応流量Ｑ１等を正確に算出することができなくなるため、パージ量Ｑの算出が正常に行われなくなる。このため、インジェクタ２８及び圧力センサ２９の少なくとも何れか一方の異常を検出した場合に、パージ量Ｑの算出が正常に行われていないものと判定することができる。
【００６１】
続いて、図３及び図４のフローチャートと、図５〜図７のタイムチャートと、図８のマップと、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。
【００６２】
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、インジェクタ２８のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁３１のパージ制御（循環流路２３の内部に滞留する水分や水素オフガスを外部に排出するための排気排水弁３１の開閉制御）を実施する。
【００６３】
まず、図３のフローチャートに示すように、燃料電池システム１の制御部７は、電流センサ２ａを用いて燃料電池２の発電時における電流値を算出する（電流検出工程：Ｓ１）。次いで、制御部７は、検出した電流値に基づいて、燃料電池２における水素消費量を算出する（水素消費量算出工程：Ｓ２）とともに、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及び目標パージ量を算出する（目標値算出工程：Ｓ３）。
【００６４】
次いで、制御部７は、圧力センサ２９を用いて、インジェクタ２８の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ４）。次いで、制御部７は、目標値算出工程Ｓ３で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ４で検出した圧力値（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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出工程：Ｓ５）。次いで、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の噴射流量を算出し、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出する。そして、制御部７は、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（フィードバック制御工程：Ｓ６）。
【００６５】
制御部７は、前記したフィードバック制御工程Ｓ６を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する（パージ要求判定工程：Ｓ７）。本実施形態においては、気液分離器３０の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超える場合に、図示されていない液量センサが制御部７に対してパージ開始要求信号を出力するようになっている。制御部７は、パージ要求判定工程Ｓ７においてパージ開始要求無と判定した場合には、排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１１）。一方、制御部７は、パージ要求判定工程Ｓ７でパージ開始要求信号を受けてパージ開始要求有と判定し、かつ、インジェクタ２８からのガス噴射が既に開始されている場合には、排気排水弁３１を開放する（パージ弁開放工程：Ｓ８）。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示されるように、パージ弁開放工程Ｓ８において排気排水弁３１が開放されることにより、気液分離器３０に溜まった水分が排気排水流路２５へと排出され、水分の排出が終了するとほぼ同時に循環流路２３内の水素オフガスが排気排水流路２５へと排出されることとなる。
【００６６】
また、制御部７は、排気排水弁３１の開放と同時に、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）を推定する（パージ量推定工程：Ｓ９）。パージ量推定工程Ｓ９については、図４のフローチャート等を用いて後に詳述する。次いで、制御部７は、パージ量推定工程Ｓ９で推定された水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）が、目標値算出工程Ｓ３で算出された目標パージ量Ｑ０以上であるかを判定する（パージ量判定工程：Ｓ１０）。そして、制御部７は、推定したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ０未満である場合には、引き続きパージ量推定工程Ｓ９及びパージ量判定工程Ｓ１０を続行する一方、推定したパージ量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（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１１）。
【００６７】
パージ弁閉鎖工程Ｓ１１において、制御部７は、圧力センサ３２で検出された排気排水弁３１の上流側圧力と、圧力センサ３３で検出された排気排水弁３１の下流側圧力と、の差に基づいて排気排水弁３１の閉じ遅れ量（図６（Ｂ）に示した閉じ遅れ時間Δｔ及び図６（Ｃ）に示した閉じ遅れ時間Δｔに対応する超過パージ量ΔＱ）を算出する。そして、制御部７は、図６（Ｄ）に示すように、算出した閉じ遅れ時間Δｔだけ時間的に先行して排気排水弁３１を閉鎖する。この結果、実際のパージ量を超過パージ量ΔＱの分だけ低減させて、図６（Ｅ）に示すように実際のパージ量Ｑを目標パージ量Ｑ０に一致させることが可能となる。
【００６８】
ここで、図４のフローチャート等を用いて、パージ量推定工程Ｓ９について説明する。
【００６９】
まず、制御部７は、排気排水弁３１の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ２８の下流側の圧力低下分ΔＰ（水素基準圧から水素現在圧を減じて得た値：図５（Ｄ）参照）と、温度センサ４４で検出された冷媒の温度Ｔと、に基づいて、圧力低下分ΔＰに対応する流量としての圧力変化対応流量Ｑ１を算出する（圧力変化対応流量算出工程：Ｓ２０）。圧力変化対応流量算出工程Ｓ２０においては、温度センサ４４で検出された冷媒の温度Ｔ（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）に基づいて圧力変化対応流量を算出しているため、水素オフガスの温度変化に基づいてパージ量を補正することが可能となる。
【００７０】
次いで、制御部７は、排気排水弁３１の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ２８の下流側の圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し、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（図５（Ｅ）参照）を算出する（補正流量積算工程：Ｓ２１）。補正流量積算工程Ｓ２１においては、図７（Ａ）に示すように圧力センサ２９に不感帯を設けておき、圧力センサ２９で検出される水素現在圧（ガス供給状態）と水素基準圧（目標供給状態）との偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合に、図７（Ｂ）に示すようにフィードバック補正流量の時間積算値Ｑ２の算出を開始するようにしている。なお、図７の破線は、制御部７の制御タイミングを示している。
【００７１】
また、制御部７は、パージ開始時点からの燃料電池２における水素消費量変化分の時間積算値Ｑ３を算出する（水素消費量変化分積算工程：Ｓ２２）。例えば、図５（Ｆ）に示すようにパージ開始時点からパージ終了時点まで燃料電池２における発電電流値が増加するような場合を想定すると、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（図５（Ｇ）の右上り斜線領域）は、電流増加分に対応する水素消費量変化分の時間積算値Ｑ３（図５（Ｇ）の右上り斜線と右下り斜線の交差領域）に圧力低下分補正流量値が加算された値となる。このため、パージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Ｑ２をパージ量の算出にそのまま用いると、電流増加分に対応する値Ｑ３の分だけ誤差が生じる。このため、本実施形態においては、電流増加分に対応する水素消費量変化分の時間積算値Ｑ３を算出してパージ量を補正することとしている。また、制御部７は、クロスリーク量Ｑ４を算出する（クロスリーク量算出工程：Ｓ２３）。
【００７２】
続いて、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ１とパージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Ｑ２とを加算した値から、パージ開始時点からの燃料電池２における水素消費量変化分の時間積算値Ｑ３とクロスリーク量Ｑ４とを減算することにより、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（パージ量算出工程：Ｓ２４）。以上の工程群からなるパージ量推定工程Ｓ９は本発明における排気量推定方法に相当し、パージ量算出工程Ｓ２４は本発明における算出工程に相当する。また、圧力変化対応流量算出工程Ｓ２０及びパージ量算出工程Ｓ２４は、本発明における温度補正工程に相当し、水素消費量積算工程Ｓ２２及びパージ量算出工程Ｓ２４は、本発明における発電補正工程に相当し、クロスリーク量算出工程Ｓ２３及びパージ量算出工程Ｓ２４は本発明における漏れ補正工程に相当する。
【００７３】
なお、制御部７は、例えばインジェクタ２８や圧力センサ２９の異常を検出することによりパージ量推定工程Ｓ９においてパージ量Ｑの算出が正常に行われていないものと判定した場合には、排気排水弁３１の開弁時間を制限する。この際、制御部７は、燃料電池２の発電電流値、コンプレッサ１４の回転数、背圧調整弁１６の開度等に基づいて、排気流路１２を介して希釈器３４へと供給される酸化オフガス（希釈ガス）の供給量を算出し、この供給量に応じて排気排水弁３１の開弁時間を制限する。
【００７４】
図８（Ａ）のマップに基づけば、希釈ガスである酸化オフガスの供給量が比較的少量（ｑ１）である場合には、希釈器３４で希釈され排出されるガスの水素濃度（排出水素濃度）は比較的高く（Ｄ１）なることが推定される。このため、制御部７は、図８（Ｂ）のマップに示すように、酸化オフガスの供給量が比較的少量（ｑ１）である場合には、排気排水弁３１の最大開弁時間を比較的短く（Ｔ１）設定する。これにより、排出水素濃度の上昇を抑制することが可能となる。一方、図８（Ａ）のマップに基づけば、酸化オフガスの供給量が比較的多量（ｑ２）である場合には、排出水素濃度は比較的低く（Ｄ２）なることが推定されるため、制御部７は、図８（Ｂ）のマップに示すように、排気排水弁３１の最大開弁時間を比較的長く（Ｔ２）設定することとしている。
【００７５】
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２８（可変ガス供給装置）からのガス供給状態の変化に対応して、排気排水弁３１の開閉状態の制御を実現させることができるので、排気排水弁３１からの水素オフガスの排気量（パージ量）を安定させることが可能となる。
【００７６】
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３１の上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて排気排水弁３１の閉じ遅れ量を算出し、この算出した閉じ遅れ量に基づいて時間的に先行して排気排水弁３１を閉鎖することができる。従って、インジェクタ２８から燃料電池２へと供給される水素ガスの圧力変化等に起因して排気排水弁３１の上流側圧力と下流側圧力との差が大きくなり、排気排水弁３１の閉じ遅れが想定されるような場合においても、その閉じ遅れを抑制することができる。
【００７７】
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、パージ量Ｑの算出が正常に行われていないものと判定した場合に、酸化オフガス（希釈ガス）の供給量に応じて排気排水弁３１の開弁時間を制限することができる。従って、パージ量Ｑの算出が正常に行われない状況下においても、排気排水弁３１の開放状態が長期間持続することを抑制することができるので、排気排水弁３１から高濃度の水素ガスが排出されることを抑制することが可能となる。なお、本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から排出される酸化オフガスを希釈ガスとして有効利用することができるので、希釈ガスを新たに生成する必要がない。
【００７８】
また、以上説明した実施形態に係るパージ量推定工程Ｓ９を採用すると、循環流路２３内の水素オフガスを排出している間（パージ動作中）に、インジェクタ２８からのガス供給状態が変化した場合においても、その変化分（インジェクタ２８の下流側における圧力低下分や、この圧力低下分を補うためのインジェクタ２８による補正流量）に基づいて排気排水弁３１からのパージ量を正確に推定（算出）することが可能となる。従って、この推定したパージ量を所定の目標パージ量に近付けるように排気排水弁３１の開閉動作を制御するとその制御精度が向上するため、パージ量の安定化を実現させることが可能となる。
【００７９】
また、以上説明した実施形態に係るパージ量推定工程Ｓ９においては、圧力センサ２９で検出される水素現在圧と水素基準圧との偏差が所定の閾値を超える場合に、フィードバック補正流量の時間積算値の算出を開始するため、インジェクタ２８からのガス供給状態の微小な変化（例えば排水時等における微小な圧力変化）に起因するパージ量の算出誤差を抑制することができる。
【００８０】
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９に示すように、燃料電池２に排出流路３５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で前記実施形態と同様に、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に対応して排気排水弁３１の開閉状態を制御することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
また、以上の実施形態においては、燃料電池２から排気流路１２を経由して希釈器３４へと供給される酸化オフガス（空気）を希釈ガスとして採用し、排気流路１２を希釈ガス供給手段として機能させた例を示したが、希釈ガスの種類や希釈ガス供給手段の構成はこれに限られるものではない。
【００８２】
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、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３１を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器３０で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３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、制御部７で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。
【００８３】
また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系４の水素供給流路２２のインジェクタ２８の下流位置に圧力センサ２９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２８の作動状態を設定した例を示したが、インジェクタ制御用の圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池２の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路２２上）や、燃料電池２の水素ガス出口近傍位置（循環流路２３上）や、水素ポンプ２４の出口近傍位置（循環流路２３上）にインジェクタ制御用の圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、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、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。
【００８４】
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。
【００８５】
また、以上の実施形態においては、燃料電池２の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定した例を示したが、燃料電池２の運転状態を示す他の物理量（燃料電池２の発電電圧値や発電電力値、燃料電池２の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定してもよい。また、燃料電池２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部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。
【００８６】
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】
【００８７】
【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運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る排気量推定方法（パージ量推定工程）を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムの運転方法を説明するためのタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉動作を示すもの、（Ｂ）は排気排水弁からの排水量を示すもの、（Ｃ）は排気排水弁からの排気量（パージ量）を示すもの、（Ｄ）はパージに起因したインジェクタ下流側圧力の低下を示すもの、（Ｅ）はインジェクタ下流側圧力の低下分を補うためのフィードバック補正流量を示すもの、（Ｆ）は燃料電池の発電電流値の増大を示すもの、（Ｇ）は発電電流値の増分とインジェクタ下流側圧力の低下分との双方を補うためのフィードバック補正流量を示すもの、である。
【図６】図１に示す燃料電池システムの遅れ補正を説明するためのタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉要求信号を示すもの、（Ｂ）は遅れ補正を適用しない場合における排気排水弁の開閉動作を示すもの、（Ｃ）は遅れ補正を適用しない場合における排気排水弁からの排気量（パージ量）を示すもの、（Ｄ）は遅れ補正を適用した場合における排気排水弁の開閉動作を示すもの、（Ｅ）は遅れ補正を適用した場合における排気排水弁からの排気量（パージ量）を示すもの、である。
【図７】（Ａ）は図１に示す燃料電池システムの圧力センサの不感帯を説明するためのタイムチャートであり、（Ｂ）は図１に示す燃料電池システムの検出圧力値が不感帯を外れた場合にフィードバック補正流量の時間積算を開始する旨を説明するためのタイムチャートである。
【図８】（Ａ）は図１に示す燃料電池システムの希釈ガス（酸化オフガス）の供給量と排出水素濃度との関係を示すマップであり、（Ｂ）は図１に示す燃料電池システムの希釈ガスの供給量と最大開弁時間との関係を示すマップである。
【図９】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】
【００８８】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（排気制御手段、排気量算出手段、異常検出手段）、１２…排気流路（希釈ガス供給手段）、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）、２９…圧力センサ、３０…気液分離器、３１…排気排水弁（排気弁）、３５…排出流路。
【図１】
2007305563.tif 000004
【図２】
2007305563.tif 000005
【図３】
2007305563.tif 000006
【図４】
2007305563.tif 000007
【図５】
2007305563.tif 000008
【図６】
2007305563.tif 000009
【図７】
2007305563.tif 000010
【図８】
2007305563.tif 000011
【図９】
2007305563.tif 000012