JP2007184170A - 燃料電池システムとその停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温起動時でも安定して動作し、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停止方法を提供する。
【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、システム停止時に水素タンク３０からの水素ガスを用いてインジェクタ３５内の弁座６１を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の燃料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停止方法に関する。

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。

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。）。
特開２００４‐１３９９８４号公報

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。

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。

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の高い調圧手段を備えた燃料電池システムが望まれているが、燃料電池システムは、運転時の応答性が良いだけでなく、運転時と温度環境が異なる起動時（特に、低温起動時）にも安定して動作することが望まれている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、システム起動時でも安定して動作し、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停止方法を提供することを目的とする。

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、システム停止時に前記インジェクタ内の弁部品を冷却する冷却機構を備えるものである。

このような構成によれば、インジェクタを閉弁する前に予めインジェクタ内の弁部品を冷却しておくことが可能になるので、弁部品が所定温度以上に加熱されたままの状態で閉弁して自然冷却したときに起こりうるインジェクタ内での弁部品の貼り付き（固着）が抑制される。

なお、弁部品は、弁体、弁座、シール部の少なくとも１つを含む。また、冷却の対象は、好ましくはシール部である。さらに、冷却温度は、システム運転時よりも低い温度までとしてもよい。また、「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。

前記冷却機構は、システム停止時に供給ガスにより前記インジェクタ内の弁部品を冷却するものでもよい。

この場合において、前記供給ガスとしては、前記燃料供給系に接続された燃料供給源から供給される燃料ガスの採用が可能である。

このような構成によれば、インジェクタ内の弁部品を冷却するための新たな配管系等の追加が不要となる。

前記冷却機構は、システム停止時の前記インジェクタの上流側における前記燃料ガスの温度が所定温度以上の場合には、前記インジェクタを閉弁し、所定の停止処理後に前記インジェクタを開弁して前記燃料ガスを当該インジェクタに導入するものでもよい。

この構成によれば、インジェクタの閉弁後に行う所定の停止処理を行っている間に、インジェクタの上流側に存在する所定温度以上の燃料ガスが自然冷却されるので、この冷却された燃料ガスによってインジェクタ内の弁部品を冷却することが可能となる。所定の停止処理としては、例えば、燃料電池への燃料ガス供給を遮断した状態で所定時間（例えば、８秒）燃料電池に発電させる減圧処理等がある。

本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料供給源を複数備え、前記供給ガスは、複数の前記燃料供給源の中で、より低温の燃料供給源から供給される燃料ガスとしてもよい。

このような構成によれば、より低温の燃料ガスにてインジェクタ内の弁部品を短時間で冷却することが可能となる。

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、前記冷却機構は、前記弁体の開方向の移動に必要な前記弁体駆動部への通電電流を前記インジェクタの上流側圧力に応じて変更するものでもよい。

弁体の開方向の移動に必要な弁体駆動部への通電電流、いわゆる突入電流によって弁体駆動部が発熱することにより、弁部品の冷却に供される燃料ガスが加熱されてしまうところ、このような構成によれば、例えば、システム停止時のようにインジェクタの上流側圧力が運転時よりも低い場合には、この突入電流を運転時よりも下げることが可能であるから、通電電流を低くすることにより、弁部品の加熱を抑制することができる。

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、前記冷却機構は、前記弁体の開状態の保持に必要な前記弁体駆動部への通電電流をシステム状態に応じて変更するものでもよい。

インジェクタが開弁している間は、開弁状態の保持に必要な弁体駆動部への通電電流、いわゆる必要保持電流によっても弁体駆動部が発熱して燃料ガスが加熱されてしまう。この必要保持電流は、例えば燃料電池システムが車両等の移動体に搭載された場合には、振動Ｇ（振動加速度）や走行Ｇ（走行加速度）を考慮して冗長に設定されるものであるところ、このような構成によれば、システム停止時（システム状態）の移動体は停止状態にあるため、必要保持電流の冗長性を低減することができる。これにより、弁部品の加熱を抑制することができる。

前記冷却機構は、システム停止指令を受けてから予め決められた所定の遅延時間経過後に前記インジェクタの開弁を行うものでもよい。

例えば使用中の燃料供給源が急速充填後である場合等、弁部品の冷却に供される燃料ガスが高温になっている場合においても、このような構成によれば、所定の遅延時間経過によって冷却された燃料供給源からの燃料ガスを用いて弁部品を冷却することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの停止方法は、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停止方法において、システム停止時に運転時よりも低い温度まで前記インジェクタ内の弁部品を冷却する工程を備えるものである。

このような構成によれば、インジェクタを閉弁する前に予めインジェクタ内の弁部品を冷却しておくことが可能になるので、弁部品が所定温度以上に加熱されたままの状態で閉弁して自然冷却したときに起こりうるインジェクタ内での弁部品の貼り付き（固着）が抑制される。

本発明によれば、弁部品が所定温度以上に加熱されたままの状態で閉弁して自然冷却したときに起こりうるインジェクタ内での弁部品の貼り付き（固着）が抑制されるので、次回のシステム起動時にインジェクタが開弁不能な状態に陥ることを抑制することが可能となる。

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。

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。

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。

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。

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２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

ところで、燃料電池システム１の運転時は、出力要求に応じてインジェクタ３５が通電制御されているため、通電によるソレノイド６９の発熱によって弁座６１が加熱されている。したがって、弁座６１が所定温度以上に加熱された状態のままで、システムを停止させてインジェクタ３５を閉弁させると、シリンダ５４の内壁に当接した弁座６１がその後の自然な温度低下に伴い貼り付いて（固着して）しまう。

かかる場合には、次回のシステム起動時におけるインジェクタ３５の開弁に必要な力が増加するので、弁体６５の動作が安定しないばかりか、弁体６５を駆動させることができなくなる（開弁不能になる）こともある。このような現象は、次回のシステム起動時が低温環境下（例えば、氷点下）である場合に特に顕著となる。

そこで、本実施形態の制御装置４は、燃料電池システム１の停止時に、インジェクタ３５内の弁座６１を冷却（例えば、システム運転時よりも低い温度まで冷却）することにより、上記貼り付き（固着）を抑制するようにしている。つまり、本実施形態の制御装置４は、遮断弁３３及びインジェクタ３５の開閉動作を制御することにより、システム停止時にインジェクタ３５内の弁座６１を冷却する、本発明に係る冷却機構の一実施形態を構成している。

具体的には、制御装置４は、例えばイグニッションＯＦＦ等のシステム停止命令を受けると、遮断弁３３を閉弁すると共に、ソレノイド６９への通電を停止してインジェクタ３５をも閉弁する。そして、温度センサ４２の検出温度が所定温度以上である場合には、燃料電池１０への水素ガス供給を遮断した状態で燃料電池１０に発電させる減圧処理（所定の停止処理）を行いながら、所定の遅延時間経過を待つ。この減圧処理中、遮断弁３３からインジェクタ３５までの間に滞留する水素ガスは自然冷却される。

減圧処理が終了したら、ソレノイド６９への通電を開始してインジェクタ３５を開弁する。すると、遮断弁３３からインジェクタ３５までの間の水素ガスがインジェクタ３５に流入し、図４の矢印で示すように、水素ガスがインジェクタ３５内を流れる過程で、インジェクタ３５の弁座６１が冷却される。その後、ソレノイド６９への通電を停止してインジェクタ３５を閉弁し、燃料電池システム１を停止させる。

以上説明したとおり、弁座６１が所定の温度以上に加熱された状態のまま弁体６５が閉弁して低温環境下に曝されると、弁座６１がシリンダ５４に貼り付いて（固着して）開弁に必要な力が過度に増大してしまう虞があるところ、本実施形態によれば、システム停止時のインジェクタ閉弁前に予め弁座６１を冷却しているので、システム停止中における弁座６１とシリンダ５４との貼り付き（固着）が抑制される。よって、次回システム起動時にインジェクタ３５が開弁不能となることを抑制することができる。

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。

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。

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。

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。

例えば、インジェクタ３５のソレノイド６９に対する通電開始のタイミングは、システム停止命令（例えば、イグニッションＯＦＦの指令）を受けてから予め決められた所定の遅延時間経過後に行うようにしてもよい。使用中の水素タンク３０が急速充填後である場合等、インジェクタ３５内に導入されて弁座６１の冷却に供される水素ガスが所定温度以上の高温の場合においては、例えば図５に示すように、何ら遅延させずにインジェクタ３５を開弁したときは、弁座６１の温度が十分に低くならず、シリンダ５４への貼り付き（固着）力は低下しない。

一方、水素タンク３０内のガス温度は、図６に示すように、水素ガス充填後の時間が経過するほど低温となるため、所定の遅延時間経過後に自然冷却された水素ガスを弁座６１の冷却に用いることで、弁座６１の貼り付き（固着）を抑えることができる。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の一次圧（上流側圧力）に応じて、該インジェクタ３５の開弁に必要な突入電流、つまり、弁体６５の開方向への移動に必要なソレノイド６９への通電電流を運転時の突入電流よりも低く変更してもよい。

インジェクタ３５を開弁する際には、ソレノイド６９に流れる突入電流によってソレノイド６９が発熱して水素ガスが加熱されるので、必要な冷却温度が得られない場合がある。このため、突入電流をできるだけ小さくすることで、水素ガスが暖められる度合いを抑えることができる。

また、図７に示すように、インジェクタ３５の一次圧（上流側圧力）が小さいほど、開弁に必要な電流値は小さくてよいので、開弁に必要な最小限の電流値をソレノイド６９に与えてインジェクタ３５の開弁を行うようにしてもよい。特に、システム停止時は水素供給流路３１の圧力が低いため、インジェクタ３５の一次圧は小さく、開弁に必要な電流値も小さくてよい。

したがって、システム停止時に一度閉弁させたインジェクタ３５を開弁する際の突入電流を運転時の突入電流よりも低くすることにより、弁座６１の冷却に供される水素ガスを過度に加熱することがなくなり、その結果、当該水素ガスによる弁座６１の冷却を効果的に行うことができる。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の開弁状態の保持に必要な保持電流（以下、必要保持電流）、つまり、一度開方向端まで移動した弁体６５をその位置に保持するのに必要なソレノイド６９への通電電流を運転時の必要保持電流よりも低く変更してもよい。

車両用燃料電池システムにおいては、車両（移動体）の走行に伴う加減速や振動を考慮してインジェクタ３５の必要保持電流を冗長に設定している。例えば図８に示すように、走行時には振動Ｇ（振動加速度）が大きいため、インジェクタ３５を開弁させるための必要保持電流もこれに対応させて冗長性を持たせておく必要があるのに対し（同図の設計点）、システム停止時には車両は停止しているため、走行時のような振動Ｇを考慮する必要はない。

したがって、制御装置４は、振動がないものとしてシステム停止時の必要保持電流を走行時の必要保持電流よりも低く設定することで、必要保持電流の冗長性を低減する。これにより、ソレノイド６９の発熱を抑制し、弁座６１の冷却に供される水素ガスが暖められる度合いを抑えることができるので、当該水素ガスによる弁座６１の冷却を効果的に行うことができる。

また、図１の破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を備えた燃料電池システム１においては、システム停止時に以下のようにしてインジェクタ３５内の弁座６１を冷却することができる。

すなわち、制御装置４は、閉弁状態にあるインジェクタ３５を、弁座６１を冷却するために開弁する際に、各水素タンク３０の温度を検出し、検出温度が最も低い水素タンク３０の遮断弁３３を選択的に開く。これにより、温度がより低い水素ガスを用いてインジェクタ３５を冷却することができるようになる。なお、水素タンク３０の温度は、タンク内の温度センサを用いて検出してもよいし、各水素タンク３０の使用履歴から推定してもよい。

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。

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。 水素ガスによりインジェクタ内の弁座が冷却される過程について示した説明図である。 インジェクタ内の弁座温度とシリンダへの貼り付き（固着）力との関係について示した図である。 水素ガス温度の経時変化について示した図である。 インジェクタの一次圧と開弁可能な電流値との関係を示した図である。 インジェクタの開弁保持に必要な必要保持電流と、車両の振動との関係を示した図である。

符号の説明

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（冷却機構）、１０…燃料電池、３１…水素供給流路、３５…インジェクタ、４１…一次側圧力センサ、５３…内部流路、６１…弁座（弁部品）、６５…弁体、６９…ソレノイド（弁体駆動部）

Claims (9)

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、
   システム停止時に前記インジェクタ内の弁部品を冷却する冷却機構を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却機構は、システム停止時に供給ガスにより前記インジェクタ内の弁部品を冷却する燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記供給ガスは、前記燃料供給系に接続された燃料供給源から供給される燃料ガスである燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却機構は、システム停止時の前記インジェクタの上流側における前記燃料ガスの温度が所定温度以上の場合には、前記インジェクタを閉弁し、所定の停止処理後に前記インジェクタを開弁して前記燃料ガスを当該インジェクタに導入する燃料電池システム。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料供給源を複数備え、
   前記供給ガスは、複数の前記燃料供給源の中で、より低温の燃料供給源から供給される燃料ガスである燃料電池システム。
6. 請求項３乃至５のいずれかに記載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、
   前記冷却機構は、前記弁体の開方向の移動に必要な前記弁体駆動部への通電電流を前記インジェクタの上流側圧力に応じて変更する燃料電池システム。
7. 請求項３乃至６のいずれかに記載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、
   前記冷却機構は、前記弁体の開状態の保持に必要な前記弁体駆動部への通電電流をシステム状態に応じて変更する燃料電池システム。
8. 請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記冷却機構は、システム停止指令を受けてから予め決められた所定の遅延時間経過後に前記インジェクタの開弁を行う燃料電池システム。
9. 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停止方法において、
   システム停止時に前記インジェクタ内の弁部品を冷却する工程を備える燃料電池システムの停止方法。

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