(57)【要約】【課題】燃料オフガスを循環させずに、燃料電池内部に止めて運転する燃料電池において、必要に応じて燃料オフガスの少量排出をする場合に、その少量の排出量を制御できるように改良した燃料電池システムを提供する。【解決手段】この燃料電池システムは、発電部がセパレータを介して複数積層された燃料電池を備え、燃料電池に一度供給されて排出された燃料オフガスの流れを、燃料電池に供給される燃料の流れに循環させて再利用しないものである。燃料電池システムは、発電部のアノード極側から排出された燃料オフガスを、外部に排出するための燃料排出経路を有する。燃料排出経路には、デューティ比制御され、燃料排出経路内の燃料オフガスが、燃料電池の外部に排出される開状態と、燃料オフガスが燃料電池の外部に排出されない閉状態とを切り替える排出側デューティ駆動弁を設置する。この排出側デューティ駆動弁は、制御手段によってデューティ比制御される。【選択図】図６
2009059573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、該電解質の両面にそれぞれ設けられたアノード極及びカソード極と、を備える発電部が、セパレータを介して複数積層された燃料電池を備え、前記燃料電池に一度供給されて排出された燃料オフガスの流れを、燃料電池に供給される燃料の流れに循環させない燃料電池システムであって、
前記発電部のアノード極側から排出された燃料オフガスを、外部に排出するための燃料排出経路と、
前記燃料排出経路に組み付けられて、かつ、デューティ比制御され、前記燃料排出経路内の燃料オフガスが、前記燃料電池の外部に排出される開状態と、前記燃料オフガスが、前記燃料電池の外部に排出されない閉状態とを切り替える排出側デューティ駆動弁と、
前記排出側デューティ駆動弁をデューティ比制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池の通常運転中に、前記開状態と前記閉状態とからなる一周期が、100[msec]以下の周期で繰り返されるように、前記排出側デューティ駆動弁を制御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】
前記排出側デューティ駆動弁は、前記燃料電池の通常運転中であって、該排出側デューティ駆動弁が開状態の場合に、燃料オフガスの流量を10000[ml/min]以下とするものであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池を内部に収納するケースを更に備え、
前記排出側デューティ駆動弁は、前記ケース内部に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
積層された前記発電部及び前記セパレータの積層方向の外側に配置された一対のエンドプレートを更に備え、
前記排出側デューティ駆動弁は、前記一対のエンドプレートのいずれか一方に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
積層された前記発電部及び前記セパレータの積層方向の外側に配置された一対のエンドプレートと、
前記積層方向に延びて両側が前記一対のエンドプレートに固定されたテンションプレートと、を更に備え、
前記排出側デューティ駆動弁は、前記テンションプレートに固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料流路の流入口に接続し、前記発電部に発電に要する燃料を供給するための燃料供給経路と、
前記燃料供給経路に配置され、かつ、デューティ比制御され、前記燃料供給経路内の燃料を燃料電池側に供給できる開状態と、前記燃料供給経路内の燃料が燃料電池内に供給されない閉状態とを切り替える供給側デューティ駆動弁と、
を更に備え、
前記制御手段は、前記供給側デューティ駆動弁をデューティ比制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記発電部の前記カソード極側から排出された大気オフガスを、前記燃料電池の外部に排出するための大気排出経路を、更に備え、
前記燃料排出経路の下流側は、前記大気排出経路に連通していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記大気排出経路は、前記燃料排出経路との連通部より下流側が、前記連通部直前の太さ以下であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記発電部のアノード極側に蓄積する蓄積窒素量を検出する蓄積窒素量演算手段と、
前記蓄積窒素量に応じて、前記排出側デューティ駆動弁のデューティ比を演算するデューティ比演算手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、前記デューティ比に応じて、前記排出側デューティ駆動弁を制御することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
検出された電圧が、基準電圧以下であるか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧が前記基準電圧以下である場合に、前記排出側デューティ駆動弁の故障と判定する故障検出手段と、
を、更に備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料電池の燃料オフガスを循環させず、燃料電池の内部に止めた状態で運転を行なうことができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開２００４−１０３５０５号公報に記載の燃料電池システムは、燃料電池のオフガスの吐出口から吐出された未反応の燃料を含む使用後の燃料（以下「燃料オフガス」）が流入する燃料オフガス流路が、燃料ガス供給流路に連通した構成を有している。この構成により燃料オフガスは、燃料電池の燃料の吸入口から再び供給されることとなる。上記従来技術によれば、このように燃料オフガスを循環させて燃料電池に供給することで燃料オフガス中に含まれる未反応の燃料を利用でき、燃料の消費効率が高められている。
【０００３】
また、この燃料電池システムの燃料オフガス流路には、燃料ガス供給流路との接続側とは分岐して分岐流路が設けられ、分岐流路には排気弁装置が設置されている。燃料オフガスを外部に排出する必要が生じた場合には排気弁装置が開放され、その結果、燃料オフガスは分岐流路から外部に排出される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０３５０５号公報
【特許文献２】特開２００５−２７３７０４号公報
【特許文献３】特開２００６−２６９１２８号公報
【特許文献４】特開２００６−１５６２８２号公報
【特許文献５】特開２００６−９９９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで燃料電池システムには、上記従来技術のような燃料オフガスを循環利用して再度供給する燃料電池システムとは異なり、燃料オフガスを循環させず、かつ燃料オフガスをごく僅かにしか外部に排出しない状態、即ち、燃料を燃料電池の内部に止めた状態で運転を行なうことができるものが考えられている。このような燃料電池システムでは、燃料を外部に排出せず燃料電池内部に止めた状態で運転することで、燃料の更なる有効利用を図ることができる。また燃料オフガスの循環のための配管等を除去することができるため燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【０００６】
しかし、燃料電池の燃料流路内には、電解質膜を透過して拡散した窒素が混入することが考えられる。混入した窒素は、燃料オフガスの排出口側を閉じた状態で運転を行なう燃料電池の場合、燃料流路内への燃料供給の流れによって次第に下流側に移動してそのまま燃料流路下流に滞留することとなる。その結果、下流側に滞留する窒素濃度が過度に高くなることが考えられ、この場合、その部分において燃料不足が発生して、燃料電池の発電量が低下する事態を生じ得る。
【０００７】
従って、燃料を燃料電池内に止めて運転する場合であっても、供給された燃料を外部に排出しない程度に、燃料流路下流側に滞留する窒素を排出することが好ましい。このような場合の窒素の排出機構としては、例えば燃料流路の排出口側に接続する燃料オフガスの排出経路を設けて、ここに上記従来技術のような排気弁装置を設置し、必要に応じてこれを開放することで燃料オフガスを外部に排出する機構が考えられる。
【０００８】
しかし、上記従来技術のような排気弁装置は、全燃料オフガスを分岐流路内に押し流して排出するものであるため、排気弁装置を通過する燃料オフガスの流量は大きなものとなる。一方、上記のように燃料を内部に止めた状態で運転するシステムの場合、アノード極に供給された燃料成分を極力排出しないようにする範囲の流量で、下流側に蓄積した窒素を排出することが望まれる。従って、燃料オフガスの排出量はごく微量であり、確実に窒素のみを排出するためには、流量を微量な単位で制御できる排出機構が望まれる。
【０００９】
従って、この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、燃料オフガスを循環させずに、燃料電池内部に止めて運転する燃料電池において、必要に応じて燃料オフガスの排出をする場合に、その少量の排出量を制御できるように改良した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】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、電解質と、該電解質の両面にそれぞれ設けられたアノード極及びカソード極と、を備える発電部が、セパレータを介して複数積層された燃料電池を備え、前記燃料電池に一度供給されて排出された燃料オフガスの流れを、燃料電池に供給される燃料の流れに循環させない燃料電池システムであって、
前記発電部のアノード極側から排出された燃料オフガスを、外部に排出するための燃料排出経路と、
前記燃料排出経路に組み付けられて、かつ、デューティ比制御され、前記燃料排出経路内の燃料オフガスが、前記燃料電池の外部に排出される開状態と、前記燃料オフガスが、前記燃料電池の外部に排出されない閉状態とを切り替える排出側デューティ駆動弁と、
前記排出側デューティ駆動弁をデューティ比制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池の通常運転中に、前記開状態と前記閉状態とからなる一周期が、100[msec]以下の周期で繰り返されるように、前記排出側デューティ駆動弁を制御することを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記排出側デューティ駆動弁は、前記燃料電池の通常運転中であって、該排出側デューティ駆動弁が開状態の場合に、燃料オフガスの流量を10000[ml/min]以下とするものであることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１の発明において、前記燃料電池を内部に収納するケースを更に備え、
前記排出側デューティ駆動弁は、前記ケース内部に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、第１から第４のいずれか１の発明において、積層された前記発電部及び前記セパレータの積層方向の外側に配置された一対のエンドプレートを更に備え、
前記排出側デューティ駆動弁は、前記一対のエンドプレートのいずれか一方に固定されていることを特徴とする。
【００１５】
第６の発明は、第１から第４のいずれか１の発明において、積層された前記発電部及び前記セパレータの積層方向の外側に配置された一対のエンドプレートと、
前記積層方向に延びて両側が前記一対のエンドプレートに固定されたテンションプレートと、を更に備え、
前記排出側デューティ駆動弁は、前記テンションプレートに固定されていることを特徴とする。
【００１６】
第７の発明は、第１から第６のいずれか１の発明において、
前記燃料流路の流入口に接続し、前記発電部に発電に要する燃料を供給するための燃料供給経路と、
前記燃料供給経路に配置され、かつ、デューティ比制御され、前記燃料供給経路内の燃料を燃料電池側に供給できる開状態と、前記燃料供給経路内の燃料が燃料電池内に供給されない閉状態とを切り替える供給側デューティ駆動弁と、を更に備え、
前記制御手段は、前記供給側デューティ駆動弁をデューティ比制御することを特徴とする。
【００１７】
第８の発明は、第１から第７のいずれか１の発明において、前記発電部の前記カソード極側から排出された大気オフガスを、前記燃料電池の外部に排出するための大気排出経路を、更に備え、
前記燃料排出経路の下流側は、前記大気排出経路に連通していることを特徴とする。
【００１８】
第９の発明は、第８の発明において、前記大気排出経路は、前記燃料排出経路との連通部より下流側が、前記連通部直前の太さ以下であることを特徴とする。
【００１９】
第１０の発明は、第１から第９のいずれか１の発明において、
前記発電部のアノード極側に蓄積する蓄積窒素量を検出する蓄積窒素量演算手段と、
前記蓄積窒素量に応じて、前記排出側デューティ駆動弁のデューティ比を演算するデューティ比演算手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記デューティ比に応じて、前記排出側デューティ駆動弁を制御することを特徴とする。
【００２０】
第１１の発明は、第１から第１０のいずれか１の発明において、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
検出された電圧が、基準電圧以下であるか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧が前記基準電圧以下である場合に、前記排出側デューティ駆動弁の故障と判定する故障検出手段と、
を、更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明によれば、燃料オフガスの流れを燃料電池に供給される燃料の流れに循環させない燃料電池システムにおいて、燃料オフガスを外部に排出するための燃料排出経路に、デューティ比制御されて、燃料排出経路の開状態と閉状態とを切り替える排出側デューティ駆動弁とが配置されている。これにより燃料オフガスの排出を、デューティ比制御により制御することができる。ところで、このよう燃料オフガスの流れを循環させずに、燃料を内部に止めた状態で運転する燃料電池においては、アノード極側に混入して下流側に蓄積する窒素のみを微量ずつ排出できることが好ましい。この点、第１の発明によれば、燃料排出経路にデューティ比制御されるデューティ駆動弁を配置することで、燃料排出経路からの燃料オフガスの排出をデューティ比制御することができるため、蓄積した窒素の排出に伴う燃料の外部への排出を小さく抑えることができる。
【００２２】
第２の発明によれば、制御手段は、燃料電池の通常運転中に、100[msec]以下の周期で排出側デューティ駆動弁を制御する。これにより、燃料オフガスの燃料排出経路からの排出を微量に制御することができ、アノード極側に蓄積した窒素を効果的に排出しつつ、蓄積した窒素の排出に伴う燃料の外部への排出を小さく抑えることができる。
【００２３】
第３の発明によれば、排出側デューティ駆動弁は、燃料電池の通常運転中の開状態の場合において、燃料オフガスの流量を10000[ml/min]以下とするように設計されたものである。このような排出側デューティ駆動弁を用いることにより、燃料オフガスの排出量をごく微量に制御することができるため、アノード極側に蓄積した窒素を効果的に排出しつつ、窒素の排出に伴う燃料の外部への排出を小さく抑えることができる。
【００２４】
第４の発明によれば、燃料電池を内部に収納するケース内に排出側デューティ駆動弁が配置されている。燃料電池の運転中、ケース内は燃料電池の反応熱により温度が上昇する。従って、排出側デューティ駆動弁の吐出口部分における凍結等を抑えることができる。
【００２５】
第５及び第６の発明によれば、排出側デューティ駆動弁は、エンドプレートあるいはテンションプレートに固定されている。これにより燃料電池からの放熱で温度を高く保つことができ、凍結を防止することができる。
【００２６】
第７の発明によれば、燃料供給経路に供給側デューティ駆動弁が配置され、燃料供給経路からの燃料の供給がデューティ比制御される。これにより燃料の供給量をより正確に制御することができる。また、デューティ比を制御することで燃料流量を調整することができるため、供給側と排出側とで同一のデューティ駆動弁を使用することができる。この場合、製造におけるコストダウンを図ることができる。
【００２７】
ところで、一般的な燃料電池において燃料として水素など可燃性のものを用いる場合、燃料オフガス中にも燃料が含まれることを考慮して、燃料オフガスを排出する場合には所定の基準濃度に希釈して排出する。一般的には例えば、大気オフガスの排出経路と燃料排出経路が共通して接続する希釈器を設け、この希釈器内に大気オフガスと燃料オフガスとを導入し、燃料濃度が基準濃度以下となった状態で外部に排出するようにしている。しかしこの発明によれば、燃料排出経路にデューティ駆動弁を配置することで、燃料排出経路からの燃料オフガスの排出がごく少量になるように制御される。また、このようにごく少量ずつ排出される場合、燃料オフガス中の多くは下流側に蓄積した窒素であり燃料オフガス中に含まれる燃料はごく微量であると考えられる。従って、第８及び第９の発明のように、燃料排出経路の下流側を大気排出経路に直接接続し、特に希釈器を設置しない構造としても、燃料オフガスを大気オフガスに混入させるだけで、燃料濃度を確実に基準濃度以下の状態とすることができると考えられる。従って希釈器を省略することができ、これにより燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００２８】
第１０の発明によれば、アノード極側に蓄積する蓄積窒素量に応じて、排出側デューティ駆動弁のデューティ比が設定される。従って、アノード極側に蓄積する窒素量に応じて燃料オフガスを少量ずつ排気することができる。これにより燃料オフガスの排出を必要な量に制御することができ、窒素の排出と共に排出される燃料の排出量をごく少量に抑えることができる。
【００２９】
ところで、この発明のデューティ駆動弁ような弁は燃料オフガスをごく少量ずつ排気する程度に開くものであるため、燃料オフガスの流量を検出するだけでは、その故障を発見するのは困難であると考えられる。しかし、デューティ駆動弁が閉状態のままで故障した場合、アノード極側には窒素が蓄積して次第に発電量が低下する事態となることが考えられる。この点、第１１の発明によれば、燃料電池の電圧を検出して、その検出された電圧が基準電圧以下である場合に、窒素が排出されていない状態、即ち燃料不足による発電低下が起きている状態を検出することができ、これに基づいて排出側デューティ駆動弁の故障をより早い段階で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００３１】
実施の形態．
［燃料電池システムの構成について］
図１は、この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池システムは、例えば車両等に搭載されて使用される。この燃料電池システムは燃料電池２を備えている。燃料電池２は、排出される燃料オフガスを循環して供給せず、かつ、燃料オフガスをごく少量外部に排出するだけで、燃料電池２内部に燃料を止めた状態で運転する少量排気の燃料電池システムである。なお、この明細書において燃料を止めた状態で運転するという場合には、燃料オフガスをごく少量ずつ外部に排出しながら運転する場合も含むものとする。なお燃料電池２は実際には後述するケース内に収納されているが、図１においては説明のためケースを省略して表している。
【００３２】
燃料電池２は、並列に設置され、電気的に直列接続された２つのスタック４ａ、４ｂを有している。各スタック４ａ、４ｂは、複数のセル６が積層されたスタック構造を有している。セル６は、電解質膜（電解質）とその両側に配置された反応電極であるアノード極とカソード極とからなる膜−電極接合体（発電部）と、その両側に配置されたセパレータにより構成されている。積層されたセル６の両外側には、エンドプレート８が配置されている。エンドプレート８には積層方向に延びるテンションプレート（図示せず）の両側が固定され、これにより、セル６全体は積層方向に所定の荷重がかけられた状態で締結されている。図示を省略するが、２つのスタック４ａ、４ｂはケース内に収納されている。
【００３３】
燃料電池２の各スタック４ａ、４ｂの燃料導入口には、燃料電池２内に水素等の燃料を供給するための燃料供給管１２が接続している。燃料供給管１２には燃料を供給する燃料タンク１４が接続している。燃料供給管１２の燃料タンク１４の下流には、燃料タンク１４に近い側（上流側）から順に、バルブ１６、レギュレータ１８、及び供給側デューティ駆動弁２０が設置されている。バルブ１６は、燃料電池２の運転中は開放されているが、停止時等には閉じられて燃料供給管１２と燃料タンク１４との連通を遮断することで、燃料タンク１４からの燃料供給を中止する。レギュレータ１８は、燃料タンク１４から供給された高圧の燃料を、供給側デューティ駆動弁２０の制御範囲の圧力にまで減圧して、レギュレータ１８より下流の燃料供給管１２内に燃料を供給する。供給側デューティ駆動弁２０は、例えば自動車のエンジンへの燃料供給に用いられているインジェクタと同じ構造を有する弁である。供給側デューティ駆動弁２０は、所定のデューティ比で制御されることで、燃料供給管１２内の燃料の流通を制御して、燃料電池２に必要な量の燃料を供給する。
【００３４】
燃料電池２の各スタック４ａ、４ｂの燃料排出口には、燃料排出管２２が接続している。燃料排出管２２は、各セル６から排出された燃料オフガスを、燃料電池２の外部に排出するものである。燃料排出管２２には、後述する排出側デューティ駆動弁２４が配置されている。排出側デューティ駆動弁２４は、所定のデューティ比で制御されることで、燃料電池２のアノード極側から排出される燃料オフガスの、燃料排出管２２への排出を制御する機能を有している。
【００３５】
一方、燃料電池２のスタック４ａ、４ｂの大気導入口には、大気供給管３０が接続している。大気供給管３０には外部から酸化剤としての大気が導入され、燃料電池２のカソード極側に大気が供給される。燃料電池２のスタック４ａ、４ｂの大気排出口には、大気排出管３２が接続されている。大気排出管３２には燃料電池２から大気オフガスが排出される。大気供給管３０及び大気排出管３２の途中には、湿度交換器３４が配置されている。
【００３６】
大気排出管３２の湿度交換器３４より下流側は、大気に開放されている。即ち、湿度交換器３４を通過した大気オフガスは、その下流側において大気に放出されることとなる。また、大気排出管３２の湿度交換器３４より下流側には、燃料排出管２２が連通している。燃料排出管２２から排出された燃料オフガスは、大気排出管３２内の大気オフガスと混合して大気に排出される。また、燃料電池２の大気排出口付近には、圧力センサ３６が設置されている。なお、図１では明確化のため、大気導入口と大気排出口とが燃料導入口と燃料排出口とが設けられた側と反対側の面内に設置されているように図示しているが、例えば、大気導入口、大気排出口、燃料導入口及び燃料排出口は、同じ側に設けられているものであってもよい。
【００３７】
ここで、従来の燃料電池システムには、希釈器が備えられ、この希釈器に大気排出管と燃料排出管とが共に接続された構造となっているものが多い。このようなシステムでは、燃料排出管から排出された燃料オフガスは、一度、希釈器内に導入され、大気排出管から排出される大気オフガスに混合される。そして、希釈器内で燃料濃度が基準濃度以下になるまで希釈されてから、大気オフガスと共に外部に放出されることとなる。
【００３８】
しかし、この実施の形態の燃料電池システムは、このような希釈器を備えておらず、燃料排出管２２は、大気排出管３２の湿度交換器３４の下流側において直接接続している。つまり、燃料排出管２２と大気排出管３２とは互いに連通し、燃料オフガス及び大気オフガスは希釈器を介することなく大気に開放されている。従って燃料オフガスは、大気排出管３２内で大気オフガスに混入されるだけで、直接外部に放出されることとなる。なお、大気排出管３２の燃料排出管２２との連通部下流側の太さは、連通部直前（連通部のすぐ上流側）の太さ以下の太さである。つまり、燃料電池システムは、この連通部付近に径の太くなるような部分を設けることで、例えば希釈器を設置しなくても燃料オフガスを希釈できるような燃料排出管２２と一体型に形成された構造をも有していない。
【００３９】
実施の形態の燃料電池システムはＥＣＵ３８を有している。ＥＣＵ３８は、各種センサに接続され、これらセンサからの入力信号を受けて、燃料電池２の運転状態等に関する種々の情報を検出する。一方、ＥＣＵ３８は、燃料電池２の運転に必要な制御信号を出力し、燃料電池２の運転を制御する。具体的に、例えばＥＣＵ３８は、バルブ１６、レギュレータ１８、供給側デューティ駆動弁２０、及び排出側デューティ駆動弁２４に接続され、必要な制御信号を発してこれらの動きを制御する。
【００４０】
図２は、この発明の実施の形態の燃料電池が収納されたケース内の一面側を示す模式図である。具体的に図２は、図１の燃料供給・排出側の面（図１では右側）を表している。図２に示すように、ケース内には燃料供給管１２の一部が配置されている。ケース内において燃料供給管１２は２つに分岐して、燃料電池２の各スタック４ａ、４ｂの燃料導入口１２ａ及び１２ｂに接続している。燃料導入口１２ａ、１２ｂには、スタック４ａ、４ｂ内部にそれぞれ形成された燃料供給マニホールド（図示せず）が接続し、この燃料供給マニホールドは、各セル６のセパレータのアノード極側に接する面に設けられた燃料流路に接続している。従って、燃料供給管１２から供給される燃料は、燃料導入口１２ａ、１２ｂから、燃料供給マニホールドに流入し、各セル６の燃料流路に供給される。図１では説明のため、燃料電池２外部に供給側デューティ駆動弁２０を図示したが、この実施の形態においては、各スタック４ａ、４ｂの燃料導入口１２ａ、１２ｂに接続する燃料供給管１２の分岐部が１本に合流する部分より上流側において、燃料電池２のケース内に、燃料の吐出方向が水平方向となる状態で固定されて配置されている。
【００４１】
また、ケース内には燃料排出管２２の一部が配置されている。ケース内において、燃料排出管２２は２方向に分岐して、各スタック４ａ、４ｂの燃料排出口２２ａ、２２ｂにおいて、燃料電池２内部の燃料排出マニホールド（図示せず）に接続している。また、燃料排出マニホールドは、スタック４ａ、４ｂ内部において、各セル６の燃料流路の下流側に接続している。これにより燃料流路から排出される燃料オフガスは燃料排出マニホールドを介して燃料排出管２２に流入することとなる。なお、図１では簡略化のため、燃料電池２外部に１の排出側デューティ駆動弁２４を図示したが、この実施の形態においては、実際には、各スタック４ａ、４ｂの燃料排出口２２ａ、２２ｂに接続する燃料排出口２２ａ、２２ｂに接続する燃料排出管２２の分岐部が１本に合流する部分より上流側において、燃料電池２のケース内に、燃料の吐出方向が水平方向となる状態で固定されて配置されている。
【００４２】
図３は、この発明の実施の形態の排出側デューティ駆動弁２４を模式的に表した図である。排出側デューティ駆動弁２４としては、実施の形態では、車両のエンジンに使用されるインジェクタと同じ構成を有するものを用いることができる。具体的に、図３に示すように排出側デューティ駆動弁２４は先細のニードルバルブ４２を有している。ニードルバルブ４２はパイプ４４と一体的に形成され、パイプ４４はコイルスプリング４６内に挿通するように配置されている。ニードルバルブ４２、パイプ４４及びコイルスプリング４６は、収納ケース内に収納され、収納ケース外側にはコイルアセンブリ４８が設置されている。
【００４３】
ニードルバルブ４２の先端は、収納ケースの噴出口５０に挿入された状態にあるとき噴出口５０を閉じるように形成されている。噴出口５０は、ニードルバルブ４２との係合部より外側において広くなるように、即ち、噴出口５０の径が下流側に向けて大きくなるように形成されている。
【００４４】
ニードルバルブ４２及びパイプ４４は、コイルスプリング４６により噴出口５０側に付勢されている。コイルアセンブリ４８にはＥＣＵ３８からの駆動信号により、必要に応じて電流が流される。ＥＣＵ３８からの駆動信号が供給されていない状態では、コイルアセンブリ４８は励磁されていないため、コイルスプリング４６の弾性力によりニードルバルブ４２が噴出口５０内に挿入され、噴出口５０が閉じた状態（閉状態）となっている。一方、ＥＣＵ３８からの駆動信号が供給されると、コイルアセンブリ４８は励磁され、この磁力により、パイプ４４及びニードルバルブ４２が、コイルスプリング４６の弾性力に抗して噴出口５０とは反対側に移動し、噴出口５０が開いた状態（開状態）となる。排出側デューティ駆動弁２４が開状態の場合に、燃料排出マニホールドから排出される燃料オフガスが排出側デューティ駆動弁２４より下流側の燃料排出管２２に排出されることとなる。
【００４５】
排出側デューティ駆動弁２４の開状態及び閉状態は、コイルアセンブリ４８へのＥＣＵ３８からの駆動信号の供給のON/OFFによって制御される。ＥＣＵ３８は、排出側デューティ駆動弁２４の周期及びデューティ比を制御することで、燃料電池２から排出される燃料オフガスの流量を制御する。ここで周期は１回のON時間とOFF時間とからなる周期であり、デューティ比は、この周期に対するON時間の比率を表している。
【００４６】
なお、実施の形態では、供給側デューティ駆動弁２０も排出側デューティ駆動弁２４と同様の構造のものである。ただし、上流側から燃料を供給する弁であるため、燃料の流通量が、排出側の燃料オフガス流通量に比べて大きなものとなる。従って、デューティ比や周期が、供給側と排出側とでは異なる値に設定される。このように同一のデューティ駆動弁を用いることで、製造においてコストダウンを図ることができる。
【００４７】
［燃料電池システムの運転について］
この燃料電池２は燃料オフガスを循環利用せず、また燃料オフガスをごく少量のみ排出するだけで、燃料を燃料流路内に止めた状態で運転するものである。燃料電池２の運転中の各セル６での起電反応においてアノード極に供給された燃料はイオンとなってカソード極に到達し、カソード極側で酸素と反応する。従って燃料流路内の燃料は燃料電池２の起電反応によって消費されて次第に減少することとなる。ここで、燃料供給管１２内は供給側デューティ駆動弁２０によって所定の範囲の圧力となるように制御されている。供給側デューティ駆動弁２０の下流側は、燃料の消費によって燃料流路内の圧力が低下し、これに連通する燃料供給管１２内の圧力が低下すると、圧力低下分の燃料が燃料タンク１４から供給される。従って、燃料を循環させて用いなくても、燃料電池２の燃料流路には概ね発電量に応じた燃料が供給されることとなる。
【００４８】
しかし、燃料流路内には燃料として供給される燃料以外に、カソード極側から電解質膜を透過してきた窒素等の不純物が混入する。燃料流路内に滞留した窒素は、供給される燃料の流れに押されて燃料流路の下流側に移動し、燃料排出マニホールド内に排出される。従って、燃料排出マニホールドの出口が閉鎖されている状態では、燃料排出マニホールド内の特に下流側に蓄積する窒素濃度は次第に高くなる。この状態においても、圧力損失の小さいセル６の燃料流路からは、窒素を燃料排出マニホールド側に押し出すことができる。しかし圧力損失の大きいセル６内では窒素を燃料流路外に押し出すことができず、燃料流路下流においては次第に窒素濃度が高くなる。このような状態が続き窒素の蓄積量が許容範囲を越えて大きくなると、特に圧力損失の大きいセルでは、セル電圧の圧力低下が無視できない状態となることが考えられる。
【００４９】
このようなセル電圧の圧力低下を防止するため、この実施の形態では、燃料排出管２２に排出側デューティ駆動弁２４を設けることで、窒素蓄積量に応じた燃料オフガスの少量ずつの排気を行なう。上記のように窒素は、特に燃料流路下流側、また、燃料排出マニホールド内下流側に次第に押されて移動していると考えられるため、ごく微量の燃料オフガスの排出を行なうことで、下流側に蓄積する多くの窒素を排出することができ、燃料流路内の燃料濃度を高めることができると考えられる。
【００５０】
図４は、燃料オフガスの少量排気のための排出側デューティ駆動弁２４のON/OFF状態、及びそれに応じた窒素濃度及び燃料濃度（水素濃度）の変化について説明するための図である。図４（ａ）において、横軸は時間、縦軸はON状態またはOFF状態を示している。また、実線Aは、従来の燃料排出経路に設けられた電磁弁のON/OFF状態を表し、棒グラフBは、実施の形態の排出側デューティ駆動弁２４のON状態を表している。図４に示されるように、従来の電磁弁は例えば数秒前後〜数十秒前後の比較的長い間隔でON/OFF状態が切り替えられる。
【００５１】
これに対して、図４（ｂ）に示すように、排出側デューティ駆動弁２４のON/OFFは、数[msec]〜数百[msec]の周期、所定のデューティ比=0〜100[%]で制御される。すなわち、燃料排出管２２は、数[msec]から数百[msec]の短時間の周期で開状態、閉状態に繰り返し切り替えられ、これにより、開状態の場合の燃料オフガスの流量が0[ml/min]〜10000[ml/min]となるように制御される。
【００５２】
図４（ｂ）において横軸は時間、縦軸は濃度[%]を表している。また、点線Aは、上記の従来の電磁弁を用いた場合の弁上流側の燃料排出マニホールド内の窒素濃度の変化を示し、点線Bは実施の形態の排出側デューティ駆動弁２４を用いた場合の、排出側デューティ駆動弁２４上流側の窒素濃度の変化を示している。従来の場合、比較的長い間隔で必要に応じて電磁弁が開放される。このため燃料排出マニホールド下流側には次第に窒素が滞留し、電磁弁の開放直前は窒素濃度が許容範囲上限近くまで高くなっていると考えられる。
【００５３】
一方、実線Bで示すように、この実施の形態の排出側デューティ駆動弁２４による排出によれば、ごく少量ずつの排出がごく短時間で繰り返し行われる。つまり下流側に窒素が押されて移動して蓄積するペースにあわせて、少量ずつ窒素を排出することができる。従って窒素が多く滞留することなく下流側においても比較的安定して低い窒素濃度の状態が保たれることとなる。従って、圧力損失の大きいセルにおいても窒素の過剰な蓄積を防止することができるため燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００５４】
図４（ｃ）において、横軸は時間、縦軸は濃度[%]をあらわしている。また、点線Aは上記の従来の電磁弁を用いた場合の、弁下流側の燃料オフガス中の燃料（水素）の濃度を示し、実線Bはこの実施の形態の排出側デューティ駆動弁２４の開閉による燃料オフガス中の燃料濃度（水素濃度）の変化を表している。ここで点線Aに示されるように、従来の場合、長い間隔で電磁弁の開閉が行なわれるため、排出される燃料オフガス中の燃料濃度は、電磁弁開放からの経過時間が長くなるに連れて次第に高い濃度に達する。
【００５５】
これに対して、短い間隔で排出側デューティ駆動弁２４のON/OFFが繰り返されるこの実施の形態の燃料電池システムの場合、燃料排出マニホールド下流側に移動した窒素がごく少量排出されて、すぐに閉鎖されて排出が停止する。このため燃料流路あるいは燃料排出マニホールド上流側にある燃料まで排出されることなく、燃料排出マニホールド下流側に移動した窒素が少量ずつ排出される。つまり、下流側への窒素の移動に合わせたような状態で、窒素を少量ずつ排出することができるため、図４（ｃ）の実線Bで示されるように、燃料オフガス中の燃料濃度は低い状態のままで維持することができる。
【００５６】
従来の電磁弁の場合、排出される燃料オフガス中の燃料濃度は、電磁弁開放から次第に増加し、一般的な基準値（例えば、4[%]程度）を越えて高くなるものと考えられる。従って排出された燃料オフガスは、一度、希釈器に流入させて大気オフガスと混合して、基準値以下の濃度にまで下げられた状態で排出されることとなる。しかし、この実施の形態では燃料オフガスをごく少量ずつ排気するため、燃料オフガスの流量も十分に小さい。更に、上記したように燃料オフガス中は多くの窒素が含まれた状態であり、燃料濃度は十分に低く、基準値以下に抑えられる。このため実施の形態の燃料電池システムでは、希釈器を採用せず、燃料オフガスの流れを、そのまま大気排出管３２内の大気オフガスに合流させる構造とすることができる。
【００５７】
[排出側デューティ駆動弁の故障検出について]
ところで、このように制御される排出側デューティ駆動弁２４は、ごく少量ずつ、更に短時間で燃料オフガスを排出するよう弁を開閉するものである。従って、その燃料オフガスの流量変化や圧力変動をモニターするだけでは、排出側デューティ駆動弁２４が故障してOFF状態で固定したまま制御不能な状態となっていることを検出することは困難である。
【００５８】
図５は、排出側デューティ駆動弁が故障した場合の発電量の変化について説明するための図である。図５において横軸は時間を表し、縦軸はセル電圧を表している。また図５において、点線Aは排出側デューティ駆動弁２４が故障を起こしていない場合のセル電圧を示し、実線Bは排出側デューティ駆動弁２４が故障した場合のセル電圧の変化を示している。
【００５９】
上記のようにこの実施の形態では、ごく少量ずつの燃料オフガスの排気を行なっているため、圧力損失の大きいセルにおいても窒素蓄積量を小さく抑えることができる。従って、燃料電池２の通常運転中は各セル６のセル電圧も窒素蓄積による大きな低下を示すことなく、点線Aに示すようなある程度一定のセル電圧を維持することができる。
【００６０】
しかし、排出側デューティ駆動弁２４が閉状態で故障した場合、燃料オフガスが排気されない状態となる。このような状態となると、排出側デューティ駆動弁２４にＥＣＵ３８からの駆動信号が供給されていても、燃料流路の下流側の窒素蓄積量は次第に大きくなって燃料不足の状態となり、点線Bに示されるようにセル電圧の低下が大きくなっていく。
【００６１】
このため実施の形態では、排出側デューティ駆動弁２４のデューティ比制御中にセル電圧をモニターして、セル電圧が燃料不足と認められるセル電圧の上限である基準電圧以下にまで低下した場合には、燃料オフガスの排出が行なわれていない、即ち排出側デューティ駆動弁２４が閉状態で故障しているものと判断する。これにより短時間の周期で駆動され、少量の排気を行なう排出側デューティ駆動弁についても、その故障をより早い段階で確実に検出することができる。なお、このような判断の基準となる基準電圧は、予め実験等により求められてそのシステムごとにＥＣＵ３８に記憶されている。
【００６２】
[実施の形態の燃料電池システムの具体的な制御について]
図６は、この発明の実施の形態においてＥＣＵが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンは、一定時間ごとに定期的に実行されるルーチンである。
【００６３】
図７〜図１０は、このルーチンの過程において、ＥＣＵが実行する演算について説明するための図である。具体的に、図７は、基本窒素透過量Q0とセル温度との関係を示す図であり、横軸は温度、縦軸は基本窒素透過量Q0を表している。図８は、基本窒素透過量に対する補正係数k1とインピーダンスとの関係を表す図であり、横軸はインピーダンス、縦軸は補正係数k1を表している。図９は、基本窒素透過量Q0に対する補正係数k2とカソード圧との関係を示す図であり、横軸はカソード圧、縦軸は補正係数k2を表している。図１０は、窒素排出量Qとデューティ比との関係を示し、横軸は窒素排出量Q、縦軸はデューティ比を表している。
【００６４】
図６のルーチンに示すように、まず燃料電池の運転中であるか否かが判定される（Ｓ１００）。燃料電池の運転中でない場合には、特に今回の実施の必要がないので、今回の処理が終了する。一方、ステップＳ１００において、燃料電池の運転中であることが認められると、次に、現在、燃料電池２が停止された状態から、起動を開始する際の、起動制御中であるか否かが判定される（Ｓ１０２）。
【００６５】
ステップＳ１０２において、起動制御中であることが認められると、起動時の制御モードに応じて排出側デューティ駆動弁２４を開状態とする開時間が演算される（Ｓ１０４）。起動時は、アノード極に多くの大気が混入していることが考えられる。このため、燃料の供給圧を上げた状態で燃料排出管２２側を開放し、燃料流路内を燃料でパージする制御が行なわれる。このよう時間は、燃料電池２の停止時間等に応じて設定されるが、ＥＣＵ３８には予め起動時の開時間に関するマップが記憶されている。ここでは、このマップに従って、起動時の開時間が演算される。なお、この起動時の制御では、所定時間、排出側デューティ駆動弁２４を開放するため、デューティ比は100[%]に自動的に設定される。
【００６６】
次に、排出側デューティ駆動弁２４が開状態に制御される（Ｓ１０６）。ここではＥＣＵ３８から制御信号により、排出側デューティ駆動弁２４のコイルアセンブリ４８が励磁状態となり噴出口５０が開かれる。これにより、燃料流路及び燃料排出マニホールドから、外部にガスが排出されて、燃料流路及び燃料供給マニホールド内が燃料によりパージされる。
【００６７】
次に、排出側デューティ駆動弁２４を開状態としてからの経過時間が、ステップＳ１０４で演算された開時間以上となったか否かが判定される（Ｓ１０８）。ここで、経過時間≧開時間の成立が認められない場合には、ステップＳ１０６により排出側デューティ駆動弁２４は開状態に維持される。一方、ステップＳ１０８において、経過時間≧開時間の成立が認められた場合、排出側デューティ駆動弁２４は閉状態される（Ｓ１１０）。ここではＥＣＵ３８からの駆動信号がOFFとされ、排出側デューティ駆動弁２４のコイルアセンブリ４８が無励磁状態となり、噴出口５０にニードルバルブ４２が挿入されることで噴出口５０が閉鎖される。これにより、燃料オフガスの燃料排出管２２側への燃料オフガスの排出が停止する。その後、このルーチンが終了する。
【００６８】
一方、ステップＳ１０２において、燃料電池２の起動制御中でないことが認められた場合、次に、現在のセル６の温度が検出される（Ｓ１１２）。ここでは、実際の処理としては冷却水の出口温度を検出し、これをセル６の温度を代表するものとする。次に、基本窒素透過量Q0が演算される（Ｓ１１４）。電解質膜の透過係数は、電解質膜の温度が高くなるに従って大きくなる。従って、図７に示すように、温度が高くなるに従って、基本窒素透過量Q0も大きくなる。実施の形態では、このようなセル温度と基本窒素透過量Q0との関係を予め実験等により求めて、ＥＣＵ３８にマップとして記憶している。ここではこのマップに従って、セル温度に応じた基本窒素透過量Q0が演算される。
【００６９】
次に、セル６のインピーダンスが検出される（Ｓ１１６）。次に、基本窒素透過量Q0に対する、膜の湿潤状態に応じた補正係数k1が演算される（Ｓ１１８）。セル６の電解質膜が高い湿潤状態になると窒素透過量は大きくなるため、演算された基本窒素透過量Q0に対する補正係数は大きくなる。また、湿潤状態はインピーダンスと相関を有する。従って、図８に示すように、インピーダンスが大きくなると、基本窒素透過量Q0に対する補正係数k1が大きくなる。実施の形態では、図８に示すような、インピーダンスと補正係数k1との関係を予め実験等によって求め、ＥＣＵ３８にマップとして記憶させている。このステップでは、このマップに従って、補正係数k1が演算される。
【００７０】
次に、カソード圧が検出される（Ｓ１２０）。カソード圧は、燃料電池の大気排出口付近に設置された圧力センサ３６（図示せず）の出力に応じて検出される。基本窒素透過量Q0に対する、カソード圧に応じた補正係数k2が演算される（Ｓ１２２）。ここでカソード圧力は窒素分圧に影響し、カソード圧が大きくなると窒素透過量が大きくなる。従って、図９に示すように、基本窒素透過量Q0に対する補正係数k2は、カソード圧が大きくなると大きくなる。実施の形態では図９に示すようなカソード圧と補正係数k2との関係を予め実験等により求めて、ＥＣＵ３８にマップとして記憶させている。このステップでは、このマップに従って、カソード圧に応じた補正係数k2が演算される。
【００７１】
次に、窒素透過量Qが演算される（Ｓ１２４）。具体的には、先のステップで演算された基本窒素透過量Q0と補正係数k1、k2とから、窒素透過量Qは、Q=Q0×k1×k2の式に従って演算される。
【００７２】
次に、排出側デューティ駆動弁２４のデューティ比及び周期が演算される（Ｓ１２６）。周期及びデューティ比は、窒素透過量Qにバラツキを考慮した値αを求めて、このバラツキを考慮した空気透過量分の排気が行なわれるように設定される。つまり窒素透過量Qが大きくなると、必要な排気量が多くなるため、これに応じて排出側デューティ駆動弁２４の開時間を長くする必要がある。従って、図１０に示すように、窒素排出量が大きくなるに従って、デューティ比が大きく設定される。排気量と周期との関係、排気量とデューティ比との関係は、予め実験等により求められ、それぞれマップとしてＥＣＵ３８に記憶させている。このステップでは、このマップに従って、排出量に応じた周期及びデューティ比が演算される。
【００７３】
次に、排出側デューティ駆動弁２４が、ステップＳ１２６で演算された周期及びデューティ比になるように制御される（Ｓ１２８）。ここではＥＣＵ３８からの制御信号によって、排出側デューティ駆動弁２４が設定された周期及びデューティ比に制御される。
【００７４】
次に、セル電圧が検出される（Ｓ１３０）。ここでは、燃料電池２に接続されたセルモニタの出力に応じてセル電圧が検出される。次に、検出されたセル電圧が基準電圧V0以上であるか否かが判定される（Ｓ１３２）。ここで、セル電圧が基準電圧V0以上である場合には、今回の処理が終了する。
【００７５】
一方、ステップＳ１３２において、セル電圧≧基準電圧の成立が認められない場合、窒素蓄積量が大きくなり燃料不足の状態が発生していると考えられる。つまり、排出側デューティ駆動弁２４が何らかの原因で閉状態の位置に固着している状態であると考えられる。従って、セル電圧が基準電圧より小さくなっている場合には、故障と判定して、故障の表示をするなどの対処が行なわれる（Ｓ１３４）。その後、今回の処理が終了する。
【００７６】
以上説明したように、この実施の形態の制御によれば、排出側デューティ駆動弁を用いて、デューティ比制御を行なうことで、燃料オフガスの少量の排気を、窒素透過量に応じて制御することができる。従って、燃料オフガス中の燃料が外部に排出されるのを抑えつつ、燃料流路に滞留する窒素を効果的に排出することができる。
【００７７】
なお、実施の形態においては、セル６が複数積層された２つのスタック４ａ、４ｂを有する燃料電池２を用いる場合について説明した。しかしこの発明において燃料電池は２つのスタックを有するものに限らず、スタックが１つのものあるいは３以上のスタックを有するものであってもよい。また、膜−電極接合体と一対のセパレータからなるセル６を積層した構造に限らず、電解質と一対の電極からなる発電部が、その間をセパレータによって隔離された状態で積層されているものであれば、他の構造であってもよい。また、各アノード極に対する燃料流路は、セパレータに溝状に形成されたものに限らず、例えば多孔体の孔部を流通させてアノード極に燃料を供給されるようなものであってもよい。
【００７８】
また、この発明の燃料電池システムにおいて、エンドプレート８やテンションプレート、ケース等は実施の形態に説明した構造に限るものではなく、例えば、これらの部材を有しない燃料電池であってもよい。従って、排出側デューティ駆動弁２４の配置位置についても、実施の形態において説明したように、ケース内に固定されているものに限るものではない。ケース内に配置することで、温度を高く維持することができるため、凍結等を防止することができる。しかし、排出側デューティ駆動弁２４は、燃料排出管２２又は燃料排出マニホールド出口付近等、最下流側のセル６の燃料流路出口より下流側の燃料排出経路のいずれかの位置に設置されているものであればよい。従って例えば、ケース外に配置されていてもよく、また、ケース内においてエンドプレートや、テンションプレートに固定されているものであっても良い。
【００７９】
また、実施の形態においては、排出側デューティ駆動弁２４の噴射方向が、水平方向となるように、排出側デューティ駆動弁を設置する場合について説明した。しかし、この発明において排出側デューティ駆動弁２４の設置方向はこれに限るものではなく、他の方向に設置するものであってもよい。
【００８０】
ここで、図１１は、排出側デューティ駆動弁２４の噴出口５０を鉛直下向きに向けて設置した場合の、排出側デューティ駆動弁２４付近の窒素濃度を示す図である。図１１に於いて横軸は時間、縦軸は窒素濃度を表している。図１１に示すように、排出側デューティ駆動弁２４の噴出口５０を鉛直下向きに向けて設置した場合、時刻t1において、排出側デューティ駆動弁２４が開状態とされると、燃料流路に滞留する水分、時間T1の間排出され、その後、窒素等のガスが排気される。従って、排出側デューティ駆動弁２４の噴出口５０を鉛直下向きに設置した場合には、排気量を正確に把握することができる。また、排出側デューティ駆動弁２４の噴射口を鉛直下向きに設置する場合、水分がたまりにくく、迅速な排出を行なうことができる。
【００８１】
また、実施の形態においては、排出側デューティ駆動弁２４としてインジェクタと同じ構造のものを用い、その周期が通常運転の場合に、数[msec]〜数百[msec]に制御され、そのときの開状態における流量が0〜10000[ml/msec]とされる場合について説明した。このような範囲は、実施の形態に説明した排出側デューティ駆動弁２４を用いてデューティ比制御を行なうことで実現することができる。しかし、この発明において制御の範囲はこれに限るものではない。窒素の蓄積量や排気量は、電解質膜の含水量や温度等によっても異なるものとなるため、窒素蓄積量や排気量等に応じて、排出側デューティ駆動弁２４の構成（例えば噴出口の大きさ）を設定し、また、ＥＣＵ３８によって制御されるデューティ比、周期等を、適宜設定することができる。
【００８２】
また、排出側デューティ駆動弁２４の構成は、この発明の排出側デューティ駆動弁を限定するものではない。具体的に例えば、実施の形態では、噴出口５０が、下流側に向けて広くなるように形成されている場合について説明した。これにより駆動弁の噴射性能を向上させることができるため、例えば、冷間時の排出側デューティ駆動弁２４の凍結を抑えることができる。しかし、この発明において排出側デューティ駆動弁２４の噴出口の構成はこれに限るものではなく、他の構成を有するものであってもよい。また、排出側デューティ駆動弁２４の他の部分の構成についても、少量ずつの燃料オフガスの排出をデューティ比制御できるものであればよく、実施の形態に説明したものと異なるものであってもよい。
【００８３】
また、実施の形態においては、供給側デューティ駆動弁２０及び排出側デューティ駆動弁２４として、共にインジェクタと同様の構成を有する同一の駆動弁を用いる場合について説明した。しかし、この発明においては、必ずしも排出側と供給側とが同一のデューティ駆動弁を用いるものでなくてもよい。例えば、供給側での燃料流通量は、排出側での燃料オフガス流通量に比べて大きなものとなることから、供給側デューティ駆動弁２０の噴出口の径及びこれに係合するノズルの径を、排出側デューティ駆動弁２４よりも大きく形成することとしてもよい。また、供給側デューティ駆動弁２０に替えて、従来の電磁弁等、他の弁を用いることとしてもよい。またこのような弁を設置しない構成としたものであってもよい。
【００８４】
また、この実施の形態においては、希釈器を設置せず、燃料排出管２２の下流側を大気排出管３２に接続する場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではない。燃料排出管２２から排出される燃料濃度は排出側デューティ駆動弁２４の設置により十分に小さいものとなっていることから、燃料排出管２２の下流側を大気排出管３２に接続せず、そのまま大気に排出するようにしてもよい。また、従来の希釈器、あるいはより小型化された希釈器に、燃料オフガスを導入する構造としてもよい。これにより、燃料濃度をより低い濃度にして外部に排出することができる。なお、実施の形態では、燃料排出管２２の大気排出管３２との連通部より下流側の太さが、連通部の太さ以下となっていると説明した。これは、大気排出管３２と一体的に形成された希釈器等をも有さないことを意味し、大気排出管３２に希釈以外の用途の他の機器が、大気排出管３２と一体的に設定されていることで、大気排出管３２の太さが太くなっているものについて排除するものではない。
【００８５】
また、実施の形態では、少量排気のために故障が検出しにくい排出側デューティ駆動弁２４を用いるため、そのデューティ比制御と同時に故障検出を行なう場合について説明した。しかし、この発明における故障診断方法は、図６に説明したルーチンに限るものではない。また、このような故障診断を同時に行なわないものでもよい。
【００８６】
また、他の構成についても同様に、実施の形態において言及した各要素の個数、数量、量、範囲等の数は、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、この発明を限定するものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。これについては、他の実施の形態においても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態の燃料電池のケース内部の一面を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態の排出側デューティ駆動弁を模式的に表した図である。
【図４】この発明の実施の形態における、燃料オフガスの少量排気のための排出側デューティ駆動弁のON/OFF状態、及びそれに応じた窒素濃度及び燃料濃度（水素濃度）の変化について説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態における燃料電池システムにおいて、排出側デューティ駆動弁が故障した場合の発電量の変化について説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態においてＥＣＵが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図７】基本窒素透過量とセル温度との関係を説明するための図である。
【図８】基本窒素透過量に対する補正係数とインピーダンスとの関係を表す図である。
【図９】基本窒素透過量に対する補正係数とカソード圧との関係を示す図である。
【図１０】窒素排出量とデューティ比との関係を表す図である。
【図１１】この発明の他の実施の形態において、排出側デューティ駆動弁の噴出口を鉛直下向きに向けて設置した場合の、排出側デューティ駆動弁付近の窒素濃度の変化を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８８】
２  燃料電池
４ａ、４ｂ  スタック
６  セル
８  エンドプレート
１２  燃料供給管
１４  燃料タンク
１６  バルブ
１８  レギュレータ
２０  供給側デューティ駆動弁
２２  燃料排出管
２４  排出側デューティ駆動弁
３０  大気供給管
３２  大気排出管
３４  湿度交換器
３６  圧力センサ
３８  ＥＣＵ
４２  ニードルバルブ
４４  パイプ
４６  コイルスプリング
４８  コイルアセンブリ
５０  噴出口
【図１】
2009059573.tif 000003
【図２】
2009059573.tif 000004
【図３】
2009059573.tif 000005
【図４】
2009059573.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2009059573.tif 000009
【図８】
2009059573.tif 000010
【図９】
2009059573.tif 000011
【図１０】
2009059573.tif 000012
【図１１】
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