JP2014007060A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで構成しつつ目標燃料ガスの流量を良好に可変可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノード流路１２を有し、アノード流路１２に水素が供給されることで発電する燃料電池スタック１０と、アノード流路１２に向けて燃料ガスを供給する水素タンク２１と、水素タンク２１からアノード流路１２に向かう水素が通流する燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路に設けられ、二次側圧力を調整するレギュレータ２３と、レギュレータ２３とアノード流路１２との間の燃料ガス供給流路に設けられ、アノード流路１２に向けて水素を噴射する電子制御式のインジェクタ２４と、レギュレータ２３の二次側圧力であってインジェクタ２４の一次側圧力に対応して、インジェクタ２４の開時間が関連付けられた制御マップと、レギュレータの二次側圧力と、制御マップとに基づいて、インジェクタ２４を制御するＥＣＵ７０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池車等の電源として、水素（燃料ガス）及び酸素を含む空気（酸化剤ガス）が供給されることで発電する燃料電池が注目されている。そして、アノードの上流に噴射流量の異なる２つのインジェクタを並列に設け、目標水素流量に対応して、インジェクタを切り替えて作動させる方法が提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１１／０８６６０３号

ところが、特許文献１の燃料電池システムは、複数のインジェクタを備える構成であるので、部品点数が増加して高コストになるうえ、システムの小型化の観点から好ましいものでない。

そこで、本発明は、低コストで構成しつつ目標燃料ガスの流量を良好に可変可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に向けて燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、二次側圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段と前記燃料ガス流路との間の前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス流路に向けて燃料ガスを噴射する電子制御式のインジェクタと、前記圧力調整手段の二次側圧力であって前記インジェクタの一次側圧力に対応して、前記インジェクタの開時間が関連付けられた制御マップと、前記圧力調整手段の二次側圧力と、前記制御マップとに基づいて、前記インジェクタを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である。

このような構成によれば、制御マップにおいて、インジェクタの一次側圧力（圧力調整手段の二次側圧力）に対応して、インジェクタの開時間が関連付けられている。そして、制御手段が、圧力調整手段の二次側圧力と前記制御マップとに基づいて、インジェクタを制御することにより、つまり、圧力調整手段の二次側圧力に対応して関連付けられたインジェクタの開時間を参照してインジェクタを制御することにより、１つのインジェクタによって、目標燃料ガス流量の全範囲において可変できる。また、１つのインジェクタを備える構成でよいので、燃料電池システムを低コストで構成できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記圧力調整手段は、要求発電量が小さくなるにつれて、二次側圧力が低くなるように調整し、前記制御マップは、要求発電量が所定値以下である場合に参照される低負荷マップと、要求発電量が所定値以下でない場合に参照される高負荷マップと、を含み、前記高負荷マップにおける前記開時間は、要求発電量が前記所定値である場合に０でない時間であって、要求発電量が大きくなるにつれて長くなり、前記低負荷マップにおける前記開時間は、前記高負荷マップを前記所定値以下に延長した場合における開時間よりも長いことが好ましい。

このような構成によれば、圧力調整手段は要求発電量が小さくなるにつれて二次側圧力が低くなるように調整する。そして、低負荷マップにおけるインジェクタの開時間は、高負荷マップを所定値以下に延長した場合におけるインジェクタの開時間よりも長い。

これにより、要求発電量が所定値以下であり、制御手段がインジェクタの制御用として低負荷マップを参照する場合、圧力調整手段が二次側圧力を低くなるように調整したうえで、制御手段がインジェクタの開時間を、高負荷マップを参照するよりも長くする。

ここで、インジェクタにおける単位時間あたりの噴射量（Ｌ／ｓ）は、インジェクタの前後差圧と燃料ガスを噴射する噴射口面積とに関係する。そして、圧力調整手段の二次側圧力（インジェクタの一次側圧力）が低くしたうえで、インジェクタを開弁することで、インジェクタにおける単位時間あたりの噴射量（Ｌ／ｓ）が小さくなる。

したがって、インジェクタの二次側圧力が目標燃料ガス圧力をオーバーシュートし難くなり、インジェクタから燃料ガスが連続的に噴射され易くなる。ここで、インジェクタの二次側圧力が目標燃料ガス圧力を超えてオーバーシュートしてしまうと、つまり、インジェクタの前後差圧が小さくなり過ぎてしまうと、インジェクタから燃料ガスが噴射され難くなり、燃料ガスが一時的に停止してしまい、燃料電池において燃料ガス不足となる虞がある。

前記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス流路の水の外部への排水が必要か否か判定する排水要否判定手段を備え、前記制御マップは、前記排水要否判定手段が排水は不要と判定した場合に参照される通常マップと、前記排水要否判定手段が排水は必要と判定した場合に参照されると共に前記通常マップよりも前記インジェクタの開時間の短い排水マップと、を含むことが好ましい。

このような構成によれば、排水マップは通常マップよりも噴射時間が短くなるように設定されているので、排水要否判定手段が排水は必要と判定した場合において、制御手段が前記排水マップを参照してインジェクタを制御すると、噴射時間が通常マップを参照する通常時よりも短くなる。
すなわち、同一総供給量の燃料ガスを噴射する場合、噴射時間が短くなっているので、インジェクタによる燃料ガスの噴射／停止の繰り返し数が多くなる。そうすると、噴射／停止の繰り返しによる燃料ガスの脈動時間が長くなり、このように脈動する燃料ガスによって、燃料ガスの総供給量を増加させずに、燃料ガス流路の水を良好に排出できる。

前記燃料電池システムにおいて、燃料ガスのストイキ比が不足する可能性があるか否か判定するストイキ比判定手段を備え、前記制御マップは、前記ストイキ比判定手段がストイキ比は不足しないと判定した場合に参照される通常マップと、前記ストイキ比判定手段がストイキ比は不足すると判定した場合に参照されると共に前記通常マップよりも前記インジェクタの開時間の長いストイキ比不足用マップと、を含むことが好ましい。

ここで、燃料ガスのストイキ比とは、燃料ガス（水素等）の余剰率を意味し、カソードに供給されている酸化剤ガス（酸素等）と過不足なく反応するのに必要な燃料ガス（必要燃料ガス）に対して、実際の燃料ガス（実際燃料ガス）がどの程度余剰であるかを示す比（実際燃料ガス／必要燃料ガス）である。

このような構成によれば、ストイキ比不足用マップは通常マップよりも噴射時間が長く設定されているので、ストイキ比判定手段がストイキ比は不足すると判定した場合において、制御手段が前記ストイキ比不足用マップを参照してインジェクタを制御すると、噴射時間が通常マップを参照する通常時よりも長くなる。このように噴射時間が長くなるので、ストイキ比不足を早期に解消できる。

本発明によれば、低コストで構成しつつ目標燃料ガスの流量を良好に可変可能な燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 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。 指令電流と、レギュレータの二次側圧力（インジェクタの一次側圧力）との関係を示すマップである。 指令電流（インジェクタの噴射量（Ｌ／回））と、インジェクタの開時間との関係を示すマップである。

本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（車両、移動体）に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１５と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電を制御する電力制御系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）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と、これに担持され、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）と、を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１２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１３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、燃料電池スタック１０とモータ５１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、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。

モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１５）は、平均セル電圧、最低セル電圧をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給源）と、常閉型の遮断弁２２と、レギュレータ２３（圧力調整手段）と、インジェクタ２４と、エゼクタ２５と、常閉型のパージ弁２７と、を備えている。

水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、レギュレータ２３、インジェクタ２４、配管２４ａ、エゼクタ２５、配管２５ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、遮断弁２２が開いた状態で、インジェクタ２４が水素を噴射すると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を通って、アノード流路１２に供給されるようになっている。

ここで、アノード流路１２の入口に接続され、アノード流路１２に供給される水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管２１ａと、配管２２ａと、配管２３ａと、配管２４ａと、配管２５ａとを備えて構成されている。そして、この燃料ガス供給流路にインジェクタ２４が設けられている。

水素タンク２１は、水素が高圧で貯蔵された容器である。

遮断弁２２は、常閉型の電磁弁であって、ＥＣＵ７０の指令に従って開／閉することで、水素を供給／遮断する弁である。

＜レギュレータ＞
レギュレータ２３は、その内部に、弁体と、弁体が離座／着座する弁座と、弁体を弁座に対して往復運動させる駆動装置と、を備えている。弁座には、一次側（上流側）と二次側（下流側）とを連通する弁座ポートが形成されており、弁体が弁座に離座／着座することで、前記弁座ポートが開／閉し、レギュレータ２３の二次側圧力が調整されるようになっている。

前記駆動装置は、例えば、前記弁体を着座方向（閉方向）に付勢する圧縮コイルばねと、ＥＣＵ７０からの指令（ＯＮ信号）に従って作動し、前記弁体を離座方向（開方向）に移動させる吸引力を生成するソレノイド装置と、を備えている。そして、ＥＣＵ７０は、後記する圧力センサ３２を介して検出される実測ＩＮＪ上流圧力Ｐ１１が、目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１となるように、前記ソレノイド装置をＯＮ／ＯＦＦ制御するようになっている。

インジェクタ２４は、ＥＣＵ７０に電子制御されることで、水素を間欠的（断続的）に噴射する噴射装置である。よって、目標電流（要求発電量）に対応して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段は、インジェクタ２４と、インジェクタ２４を制御するＥＣＵ７０と、を備えて構成されている。なお、インジェクタ２４、遮断弁２２、水素循環ポンプ２８や、後記するコンプレッサ４１等は、燃料電池スタック１０及び／又は後記するバッテリ５５を電源としている。

また、インジェクタ２４は、水素の噴射／停止を繰り返すことで、その二次側圧力を調整する調圧手段（レギュレータ）としての機能も備えている。

エゼクタ２５は、インジェクタ２４からの新規水素を噴射することで負圧を発生させるノズル２５ｂと、新規水素と前記負圧で吸引された配管２６ｂ（燃料オフガス循環流路）のアノードオフガスとを混合し、配管２５ａ（アノード流路１２）に向けて供給するディフューザ２５ｃと、を備えている。

アノード流路１２の出口は、配管２６ａ、逆止弁２６、配管２６ｂを介して、エゼクタ２５の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１２から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）が、エゼクタ２５（燃料ガス供給流路）に戻されるようになっている。よって、アノード流路１２から排出されたアノードオフガスをエゼクタ２５に戻すことで水素を循環させる燃料ガス循環流路は、配管２６ａと配管２６ｂとを備えて構成されている。

逆止弁２６は、アノードオフガスの逆流を防止する弁である。なお、配管２６ａには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器（図示しない）が設けられている。

配管２６ａの途中は、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器４４に接続されている。すなわち、アノード流路１２から車外（外部）に向かうアノードオフガスが通流する燃料オフガス排出流路は、配管２６ａの一部と、配管２７ａと、配管２７ｂと、配管４４ａとを備えて構成され、この燃料オフガス排出流路にパージ弁２７が設けられている。パージ弁２７は、開／閉することで、アノードオフガスを排出／遮断する常閉型の電磁弁である。

具体的には、パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時に、配管２６ａを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合や、システム起動時にアノード流路１２を水素に置換する場合、ＥＣＵ７０によって開かれる。なお、ＥＣＵ７０は、例えば、セル電圧モニタ１５を介して検出される最低セル電圧が不純物を排出すべき所定電圧以下である場合、パージ弁２７を開くようになっている。

配管２６ａの途中は、配管２８ａ、水素循環ポンプ２８、配管２８ｂを介して、配管２５ａに接続されている。水素循環ポンプ２８は、駆動することで、配管２８ｂ、配管２５ａ、アノード流路１２、配管２６ａ、配管２８ａで構成される循環回路にガス流れを生じさせ、アノードにおけるフラッディングを防止するものである。

圧力センサ３１は、インジェクタ２４の下流であってアノード流路１２の上流の配管２５ａに取り付けられている。そして、圧力センサ３１は、配管２５ａ内の圧力（実測アノード圧力Ｐ１２）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

圧力センサ３２は、レギュレータ２３とインジェクタ２４との間の配管２３ａに取り付けられている。そして、圧力センサ３２は、配管２３ａ内の圧力（実測ＩＮＪ上流圧力Ｐ１１）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

流量センサ３３は、配管２５ａ（燃料ガス供給ライン）に取り付けられている。そして、流量センサ３３は、アノード流路１２に向かう水素を含むガスの流量（実測流量）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ４１と、加湿器４２と、常開型の背圧弁４３と、希釈器４４と、を備えている。
コンプレッサ４１の吐出口は、配管４１ａ、加湿器４２、配管４２ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ４１は、ＥＣＵ７０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管４１ａ等を介して、カソード流路１３に供給するようになっている。

加湿器４２は、水分が透過可能な中空糸膜４２ｄを備えている。そして、加湿器４２は、中空糸膜４２ｄを介して、カソード流路１３に向かう新規空気と多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿する。

カソード流路１３の出口には、配管４２ｂ、加湿器４２、配管４３ａ、背圧弁４３、配管４３ｂ、希釈器４４、配管４４ａが順に接続されている。そして、カソード流路１３からのカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管４２ｂ等を通って、車外に排出されるようになっている。

背圧弁４３は、例えばバタフライ弁で構成される。そして、背圧弁４３の開度がＥＣＵ７０の指令に従って制御されることで、その背圧（カソード流路１３の圧力）が制御されるようになっている。

希釈器４４は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。

＜電力制御系＞
電力制御系は、モータ５１（外部負荷）と、ＰＤＵ５２（Power Drive Unit）と、電力制御器５３と、出力検出器５４と、バッテリ５５（蓄電手段）と、を備えている。モータ５１は、ＰＤＵ５２、電力制御器５３、出力検出器５４を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、バッテリ５５は、電力制御器５３に接続されている。すなわち、モータ５１に対して、バッテリ５５と燃料電池スタック１０とは、電気的に並列で接続されている。

モータ５１は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。

ＰＤＵ５２は、ＥＣＵ７０の指令に従って、電力制御器５３からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ５１に供給するインバータである。

電力制御器５３は、ＥＣＵ７０の指令に従って、（１）燃料電池スタック１０の出力（発電電力、電流値、電圧値）を制御する機能と、（２）バッテリ５５の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器５３は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。

出力検出器５４は、燃料電池スタック１０の負荷である実際の出力（実測電流値、実測電圧値）を検出する機器であり、電流センサと、電圧センサとを備えている。そして、出力検出器５４は、検出した実測電流値及び実測電圧値をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

バッテリ５５は、電力を充電（蓄電）／放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。

＜その他機器＞
ＩＧ６１は、燃料電池システム１（燃料電池車）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、ＩＧ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６１のＯＮ信号（システム起動信号）、ＯＦＦ信号（システム停止信号）を検知するようになっている。

アクセル開度センサ６２は、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量であるアクセル開度を検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ６２は、アクセル開度をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０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、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

＜ＥＣＵ−ＩＮＪ上流圧力制御機能＞
ＥＣＵ７０は、レギュレータ２３の前記ソレノイド装置をＯＮ／ＯＦＦ制御し、レギュレータ２３の二次側圧力、つまり、インジェクタ２４の一次側（上流）圧力を制御する機能を備えている。

＜ＥＣＵ−インジェクタ制御機能＞
ＥＣＵ７０は、インジェクタ２４を開閉制御（ＰＷＭ制御）し、指令電流（要求発電量）に対応して、アノード流路１２に向けて水素を供給する機能を備えている。すなわち、ＥＣＵ７０は、インジェクタ２４について、所定周期における開時間と閉時間との比（デューティ比）を可変して、インジェクタ２４による水素の噴射量を、０を含めて可変する機能を備えている。

これにより、アノード流路１２を通流する水素の流量（Ｌ／ｍｉｎ）が０を含めて可変されるようになっている。また、このようにインジェクタ２４による水素の噴射量を可変することで、その二次側圧力、つまり、アノード流路１２を含み、インジェクタ２４とパージ弁２７との間の流路におけるガス（水素を含む）の圧力が制御（調整）されるようになっている。

なお、インジェクタ２４の噴射する水素の流量は、インジェクタ２４の前後差圧と開時間とに基づいて算出される。インジェクタ２４の前後差圧は、圧力センサ３２の検出する実測ＩＮＪ上流圧力Ｐ１１と、圧力センサ３１の検出する実測アノード圧力Ｐ１２との差で与えられる。そして、ＥＣＵ７０には、インジェクタ２４の前後差圧と、開時間と、噴射量とが関連付けられたマップが予め記憶されており、ＥＣＵ７０は、このマップを参照してインジェクタ２４を制御するようになっている。

＜ＥＣＵ−排水要否判定機能＞
ＥＣＵ７０（排水要否判定手段）は、アノード流路１２の水を、アノード流路１２の外部に排水する必要があるか否か判定する機能を備えている。具体的な判定方法は後で説明する。

＜ＥＣＵ−ストイキ比判定手段＞
ＥＣＵ７０（ストイキ比判定手段）は、燃料電池スタック１０において、水素のストイキ比が不足する可能性があるか否か判定する機能を備えている。具体的な判定方法は後で説明する。

≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システム１の動作・効果について、図２を主に参照して説明する。

初期状態として、ＩＧ６１はＯＮされ、燃料電池スタック１０に水素及び空気が供給されており、燃料電池スタック１０は発電している。
具体的には、ＥＣＵ７０は、アクセル開度に基づいて燃料電池スタック１０に出力させるべき目標電流を算出している。アクセル開度が大きくなるにつれて、目標電流は大きくなる関係となっている。なお、目標電流は、ＥＣＵ７０が電力制御器５３に指令する指令電流である。

そして、ＥＣＵ７０は、指令電流（目標電流）と、図３のＲＥＧマップ（制御マップ）とに基づいて、レギュレータ２３の目標二次側圧力（目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１）を算出し、圧力センサ３２を介して実測ＩＮＪ上流圧力Ｐ１１を監視しながら、レギュレータ２３を制御している。

図３を詳細に説明する。
ＲＥＧマップは、低負荷マップＭと、高負荷マップＮとを含んでいる。低負荷マップＭは、主に指令電流が第１所定値以下である低負荷時に参照されるマップである。高負荷マップＮは、主に指令電流が第２所定値以上である高負荷時に参照されるマップであり、低負荷マップＭよりも目標二次側圧力（目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１）は高く設定されている。また、低負荷マップＭ、高負荷マップＮにおいて、指令電流が大きくなると、レギュレータ２３の目標二次側圧力（目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１）が高くなる関係となっている。つまり、指令電流とレギュレータ２３の二次側圧力（目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１）とは関連付けられている。さらに、低負荷マップＭの下限目標二次側圧力は、低負荷状態における目標アノード圧力（インジェクタ２４の最低目標二次側圧力）よりも高く設定されている。これにより、低負荷マップＭの参照時おいて目標発電量（指令電流）が極小であっても（例えばアイドリング時）、インジェクタ２４が開くと水素が噴射されるようになっている。

また、ＥＣＵ７０は、指令電流と、図４のＩＮＪマップ（制御マップ）とに基づいて、インジェクタ２４の所定周期における開時間（ＯＮ時間、オンデューティ（％））を算出し、これに従ってインジェクタ２４を制御している。

図４を詳細に説明する。
ＩＮＪマップは、指令電流とインジェクタ２４の開時間とが関連付けられた低負荷マップＡ、低負荷マップＢ、高負荷マップＣ、高負荷マップＤ及び排水マップＥを含んでいる。したがって、指令電流を介して、レギュレータ２３の二次側圧力（目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１）と、インジェクタ２４の開時間と、が間接的に関連付けられていることになる。

低負荷マップＡ及び低負荷マップＢは、指令電流が所定値以下である場合の低負荷時に参照されるマップである。高負荷マップＣ及び高負荷マップＤは、指令電流が所定値よりも大きい場合の高負荷時に参照されるマップである。所定値は、インジェクタ２４の制御に関して、低負荷時及び高負荷時を便宜的に分けるための値であり、事前試験等により求められている。

高負荷マップＣ又は高負荷マップＤにおいて、指令電流が所定値である場合のインジェクタ２４の所定周期における開時間は、０でない時間に設定されており、指令電流が大きくなるにつれて、長くなる関係となっている。
高負荷マップＣは、水素のストイキ比は不足しない（十分である）と判定される場合に参照される通常マップである。高負荷マップＤは、水素のストイキ比は不足すると判定される場合に参照されるストイキ比不足用マップであり、高負荷マップＣよりも開時間が長くなっている。

低負荷マップＡ又は低負荷マップＢにおいて、インジェクタ２４の開時間は、高負荷マップＣ又は高負荷マップＤを所定値以下に延長した場合における開時間よりも長い時間に設定されている。これにより、低負荷マップＡ又は低負荷マップＢを参照する場合、インジェクタ２４の開時間は長くなる傾向となる。
また、低負荷マップＡ及び低負荷マップＢにおいて、指令電流が０である場合にインジェクタ２４の開時間は０に設定され、指令電流が大きくなるにつれて、長くなる関係となっている。
さらに、低負荷マップＡは、水素のストイキ比は不足しない（十分である）と判定される場合に参照される通常マップである。低負荷マップＢは、水素のストイキ比は不足すると判定される場合に参照されるストイキ比不足用マップであり、低負荷マップＡよりも開時間が長くなっている。

ここで、水素のストイキ比が不足するか否かについての一判定方法を説明する。
ＥＣＵ７０は、流量センサ３３を介して検出される実測ガス流量が、目標ガス流量（ストイキ比不足判断閾値）未満である場合、水素のストイキ比が不足する、と判定するよういに設定されている。ストイキ比が不足するか否かの判断基準となる目標ガス流量は、目標発電量（アクセル開度等）が多くなるにつれて、大きくなる関係を有している。目標発電量と目標ガス流量との関係は、事前試験等により求められてマップ化され、このマップはＥＣＵ７０に予め記憶されている。そして、ＥＣＵ７０は、目標発電量（アクセル開度等）と前記マップとに基づいて目標ガス流量を算出し、この目標ガス流量と実測ガス流量とに基づいてストイキ比不足か否かについて判定する。

なお、流量センサ３３を介して検出される実測ガス流量は、水素の他に、水蒸気、窒素等を含むものであるから、目標ガス流量はやや多めに設定される。ただし、配管２５ａに水素濃度を検出する水素センサを取り付け、この水素センサの検出する実測水素濃度と実測ガス流量とに基づいて実測水素流量を算出し、実測水素流量と目標水素流量とを比較してストイキ比不足か否か判定する構成としてもよい。

その他、セル電圧モニタ１５を介して検出されるセル電圧がストイキ比不足か否かの判断基準となる所定セル電圧未満に低下した場合、ＥＣＵ７０はストイキ比不足であると判定する構成とすることもできる。所定セル電圧は、燃料電池スタック１０（単セル１１）が正常であると判断される正常セル電圧範囲の下限閾値に対応する。

また、ＥＣＵ７０は、燃料電池車の加速時等、その後にインジェクタ２４における水素の噴射量が不足すると予想される場合、その後にストイキ比不足になると予想（判断）し、参照するマップをストイキ比不足用の高負荷マップＤ又は低負荷マップＢに切り替える（持ち替える）構成としてもよい。

なお、水素の噴射量の不足は、前記したように燃料電池車の加速等によりＥＣＵ７０から電力制御器５３への指令電流値の急増した場合において、水素供給の応答が遅れるときに生じる。
また、（１）指令電流値が所定指令電流値（判定閾値）よりも大きい場合、（２）目標アノード圧力（アノード流路１２における目標圧力）の変化量（変化幅）が所定変化量（判定閾値）よりも大きい場合、（３）インジェクタ２４における目標噴射量が所定噴射量（判定閾値）よりも大きい場合、の少なくとも１つの場合、燃料電池車は加速中であると判定することもできる。

排水マップＥは、アノード流路１２の排水が必要である場合に参照されるマップである。排水マップＥは、低負荷マップＡ又は低負荷マップＢに対して、同一指令電流において、インジェクタ２４の開時間は短くなっており、高負荷マップＣ又は高負荷マップＤに対して、インジェクタ２４の開時間は短くなっている。

また、ＥＣＵ７０は、指令電流で燃料電池スタック１０を発電させた場合において、燃料電池スタック１０に過不足なく酸素が供給されるように、コンプレッサ４１の回転速度、背圧弁４３の開度を制御している。なお、指令電流が大きくなるにつれて、コンプレッサ４１の回転速度が高くなり、背圧弁４３の開度が小さくなる関係となっている。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、レギュレータ２３を制御する際、現在、低負荷マップＭ（図３参照）を参照しているか否か判定する。なお、ＩＧ６１のＯＮ直後は、低負荷マップＭを参照するように設定されている。

低負荷マップＭを参照していると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。低負荷マップＭを参照していないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１１に進む。このようにステップＳ１１１に進む場合、ＥＣＵ７０は、高負荷マップＮ（図３参照）を参照している。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、指令電流が第２所定値以下であるか否か判定する。

指令電流は第２所定値以下であると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。指令電流は第２所定値以下でないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電が不安定の虞があるためアノード流路１２の水の排水が必要であるか否か判定する。

例えば、（１）セル電圧モニタ１５から入力される平均セル電圧と最低セル電圧との差が所定電圧以上である場合、アノード流路１２に水が多量に存在し、燃料電池スタック１０の発電安定性が低下し、排水が必要であると判定される。

その他、（２）前回の排水処理の完了（ステップＳ１２３・Ｙｅｓ）から所定時間（例えば１分〜５分）経過した場合、（３）所定電流以下で発電した総時間が所定時間以上となった場合、排水が必要であると判定される。

排水は必要であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１２１に進む。排水は必要でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、図３の低負荷マップＭを参照して、レギュレータ２３を制御する。

具体的には、ＥＣＵ７０は、アクセル開度に基づいて、燃料電池スタック１０に出力させるべき電流値であって、電力制御器５３に指令する指令電流を算出する。そして、ＥＣＵ７０は、指令電流と図３の低負荷マップＭとに基づいて、レギュレータ２３の目標二次側圧力（目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１）を算出し、圧力センサ３２を介して検出される実測ＩＮＪ上流圧力Ｐ１１が目標ＩＮＪ上流圧力Ｐ１となるようにレギュレータ２３を制御する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０において、水素のストイキ比が不足（例えば、１．０以下）する可能性があるか否か判定する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、指令電流に対応して空気（酸素）を供給した場合において、図４の低負荷マップＡを参照してインジェクタ２４を制御したときにおける水素のストイキ比に基づいて、不足する可能性があるか否か判定する。

ストイキ比が不足する可能性はあると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。ストイキ比が不足する可能性はないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、図４の低負荷マップＢを参照してインジェクタ２４を制御する。

具体的には、ＥＣＵ７０は、指令電流と図４の低負荷マップＢとに基づいて、インジェクタ２４の所定周期における開時間を算出し、これに従ってインジェクタ２４を制御する。低負荷マップＢの開時間は、同一の指令電流において、ストイキ比は十分である通常時に参照される低負荷マップＡの開時間よりも長く設定されている、つまり、開時間は上乗せされている。これにより、低負荷マップＢに基づいてインジェクタ２４を制御することにより、アノード流路１２に向かう水素の流量が増加し、水素のストイキ比不足を早期に解消できる。

ただし、レギュレータ２３の制御用の参照マップを、低負荷マップＭから高負荷マップＮに一時的に持ち替える構成としてもよい。このように構成すれば、レギュレータ２３の二次側圧力（インジェクタ２４の一次側圧力）が高くなるので、インジェクタ２４における水素の噴射量が多くなり、水素のストイキ比不足をさらに早期に解消できる。

その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、指令電流と図４の低負荷マップＡとに基づいて、ステップＳ１０６と同様に、インジェクタ２４を制御する。

すなわち、インジェクタ２４の一次側圧力（レギュレータ２３の二次側圧力）は、図３の低負荷マップＭを参照することで、高負荷マップＮの参照時に対して低くなっている。これにより、図４の高負荷マップＣ、Ｄ参照時に対して、低負荷マップＡを参照することでインジェクタ２４の開時間を長くしても、インジェクタ２４の二次側圧力（実測アノード圧力Ｐ１２）が目標アノード圧力Ｐ２をオーバーシュートし難くなり、水素噴射が停止し難くなる。

これに対して、レギュレータ２３の制御用としてマップを持ち替えず高負荷マップＮを参照した場合、インジェクタ２４の二次側圧力は高くなり易い。そして、インジェクタ２４の二次側圧力は高くなり易い状態で、インジェクタ２４を制御する場合、インジェクタ２４の最短開時間は無効時間よりも若干長めの時間に設定することになるが、レギュレータ２３の制御用として高負荷マップＮを参照しているので、インジェクタ２４の一次側圧力が高く、単位時間あたりの噴射量（Ｌ／ｍ）が多くなり、インジェクタ２４の実際の二次側圧力が目標アノード圧力をオーバーシュートする可能性が高くなる。
なお、無効時間とは、インジェクタ２４の二次側圧力が高すぎるため、インジェクタ２４を開閉しても水素が噴射されない時間である。そして、このように無効時間内にインジェクタ２４を開閉しても水素が噴射されない状態が多くなると、目標発電量に対して水素の噴射の応答性が低下し、目標噴射量から外れ易くなり、例えば、燃料電池車の加速遅れが生じることになる。

その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

次に、ステップＳ１０１・Ｎｏの場合に進むステップＳ１１１を説明する。
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ７０は、指令電流が第１所定値（図３参照）以下であるか否か判定する。

指令電流は第１所定値以下であると判定した場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。指令電流は第１所定値以下でないと判定した場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１２に進む。

ここで、第１所定値は、第２所定値よりも小さい値に設定されているので（第１所定値＜第２所定値）、レギュレータ２３を制御するに際して参照する低負荷マップＭと高負荷マップＮとの間における切り替え頻度が抑えられている。

ステップＳ１１２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３と同様に、アノード流路１２の水の排水が必要であるか否か判定する。

排水は必要であると判定した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１２１に進む。排水は必要でないと判定した場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１３に進む。

ステップＳ１１３において、ＥＣＵ７０は、図３の高負荷マップＮを参照して、レギュレータ２３を制御する。

ステップＳ１１４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５と同様に、燃料電池スタック１０において、水素のストイキ比が不足（例えば、１．０以下）する可能性があるか否か判定する。

ストイキ比が不足する可能性はあると判定した場合（Ｓ１１４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１５に進む。ストイキ比が不足する可能性はないと判定した場合（Ｓ１１４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１６に進む。

ステップＳ１１５において、ＥＣＵ７０は、図４の高負荷マップＤを参照してインジェクタ２４を制御する。

具体的には、ＥＣＵ７０は、指令電流と図４の高負荷マップＤとに基づいて、インジェクタ２４の所定周期における開時間を算出し、これに従ってインジェクタ２４を制御する。高負荷マップＤの開時間は、同一の指令電流において、ストイキ比は十分である通常時に参照される高負荷マップＣの開時間よりも長く設定されている、つまり、開時間は上乗せされている。これにより、高負荷マップＤに基づいてインジェクタ２４を制御することにより、アノード流路１２に向かう水素の流量が増加し、水素のストイキ比不足を早期に解消できる。

その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

ステップＳ１１６において、ＥＣＵ７０は、指令電流と図４の高負荷マップＣとに基づいて、ステップＳ１１５と同様に、インジェクタ２４を制御する。

その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

次に、ステップＳ１０３・Ｙｅｓ、ステップＳ１１２・Ｙｅｓの場合に進むステップＳ１２１を説明する。

ステップＳ１２１において、ＥＣＵ７０は、図３の高負荷マップＮを参照して、レギュレータ２３を制御する。

ステップＳ１２２において、ＥＣＵ７０は、図４の排水マップＥを参照してインジェクタ２４を制御する。

＜ＲＥＧ：低負荷マップ→排水実行＞
これにより、ステップＳ１０３・Ｙｅｓとなって、ステップＳ１２１、Ｓ１２２の処理を実行した場合、レギュレータ２３を制御する際に参照するマップを図３の高負荷マップＮに切り替えたうえ、インジェクタ２４の所定周期における開時間が短くなるので、インジェクタ２４の開／閉に伴って噴射される水素の圧力・流れの脈動（幅）が大きくなる。

そうすると、このように脈動する水素によって、アノード流路１２に滞留する水が外部に押し出され、排水処理が進む。そして、燃料電池スタック１０の発電安定性が回復していく。
なお、このように排水処理を実行する場合、インジェクタ２４の開／閉に連動させて、水素循環ポンプ２８を間欠的（断続的）にＯＮ／ＯＦＦし、水素の脈動幅を大きくしてもよい。

＜ＲＥＧ：高負荷マップ→排水実行＞
また、ステップＳ１１２・Ｙｅｓとなって、ステップＳ１２１、Ｓ１２２の処理を実行した場合、レギュレータ２３を制御する際に参照するマップは図３の高負荷マップＮで維持したまま、インジェクタ２４の所定周期における開時間が短くなる。この場合において、指令電流及び指令電流に対応した目標水素流量も維持される。

そうすると、インジェクタ２４の所定周期における開時間が短くなることに対応して、インジェクタ２４の開閉時間（作動時間）が延長することになり、インジェクタ２４から噴射される水素が脈動する脈動時間が延長される。このように水素の脈動時間が長くなるので、アノード流路１２に滞留する水が良好に外部に押し出され、排水処理が進む。そして、燃料電池スタック１０の発電安定性が回復していく。

ステップＳ１２３において、ＥＣＵ７０は、排水が完了したか否か判定する。例えば、ステップＳ１２２から所定時間経過した場合、排水が完了したと判定される。所定時間は、事前試験等により求められ、排水が完了したと判断される時間に設定される。

排水は完了したと判定した場合（Ｓ１２３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１２４に進む。排水は完了していないと判定した場合（Ｓ１２３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１２３の判定を繰り返す。

ステップＳ１２４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３・Ｙｅｓの後、排水処理（Ｓ１２１、Ｓ１２２）を実行した場合、レギュレータ２３の制御用の参照マップとして図３の低負荷マップＭを設定し、インジェクタ２４の制御用の参照マップとして図４の低負荷マップＡを設定する。

一方、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１１２・Ｙｅｓの後、排水処理（Ｓ１２１、Ｓ１２２）を実行した場合、レギュレータ２３の制御用の参照マップとして図３の高負荷マップＮを設定し、インジェクタ２４の制御用の参照マップとして図４の高負荷マップＣを設定する。

その後、ＥＣＵ７０の処理はリターンを通ってスタートに戻る。

このような燃料電池システム１によれば、図３のＲＥＧマップ及び図４のＩＮＪマップ（制御マップ）において、インジェクタ２４の一次側圧力に対応して、インジェクタ２４の開時間が関連付けられており、ＥＣＵ７０が、インジェクタ２４の一次側圧力（レギュレータ２３の二次側圧力）と、図３のＲＥＧマップ及び図４のＩＮＪマップとに基づいて、インジェクタ２４の開時間を制御することにより、１つのインジェクタ２４によって、目標燃料ガス流量の全範囲において可変できる。また、１つのインジェクタ２４を備える構成でよいので、燃料電池システム１を低コストで構成できる。

≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、レギュレータ２３が弁体を駆動するソレノイド装置を備える構成を例示したが、その他に例えば、入力されるパイロット圧に基づいて二次側圧力を調整するレギュレータであって、パイロット圧を制御することでレギュレータの二次側圧力を調整する構成としてもよい。

前記した実施形態では、燃料電池車に搭載された燃料電池システム１を例示したが、適用箇所はこれに限定されず、例えば、定置型の燃料電池システムに組み込まれた構成でもよい。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ 単セル（燃料電池）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１ 水素タンク（燃料ガス供給源）
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ 配管（燃料ガス供給流路）
２３ レギュレータ（圧力調整手段）
２４ インジェクタ
３１、３２ 圧力センサ
７０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ インジェクタ制御用の低負荷マップ（通常マップ）
Ｂ インジェクタ制御用の低負荷マップ（開時間上乗せ、ストイキ比不足用マップ）
Ｃ インジェクタ制御用の高負荷マップ（通常マップ）
Ｄ インジェクタ制御用の高負荷マップ（開時間上乗せ、ストイキ比不足用マップ）
Ｅ インジェクタ制御用の排水マップ
Ｍ レギュレータ制御用の低負荷マップ
Ｎ レギュレータ制御用の高負荷マップ
Ｐ１ 目標インジェクタ上流圧力
Ｐ１１ 実測インジェクタ上流圧力
Ｐ１２ 実測アノード圧力

Claims (4)

1. 燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料ガス流路に向けて燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
   前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられ、二次側圧力を調整する圧力調整手段と、
   前記圧力調整手段と前記燃料ガス流路との間の前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガス流路に向けて燃料ガスを噴射する電子制御式のインジェクタと、
   前記圧力調整手段の二次側圧力であって前記インジェクタの一次側圧力に対応して、前記インジェクタの開時間が関連付けられた制御マップと、
   前記圧力調整手段の二次側圧力と、前記制御マップとに基づいて、前記インジェクタを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。
2. 前記圧力調整手段は、要求発電量が小さくなるにつれて、二次側圧力が低くなるように調整し、
   前記制御マップは、要求発電量が所定値以下である場合に参照される低負荷マップと、要求発電量が所定値以下でない場合に参照される高負荷マップと、を含み、
   前記高負荷マップにおける前記開時間は、要求発電量が前記所定値である場合に０でない時間であって、要求発電量が大きくなるにつれて長くなり、
   前記低負荷マップにおける前記開時間は、前記高負荷マップを前記所定値以下に延長した場合における開時間よりも長い
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス流路の水の外部への排水が必要か否か判定する排水要否判定手段を備え、
   前記制御マップは、前記排水要否判定手段が排水は不要と判定した場合に参照される通常マップと、前記排水要否判定手段が排水は必要と判定した場合に参照されると共に前記通常マップよりも前記インジェクタの開時間の短い排水マップと、を含む
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスのストイキ比が不足する可能性があるか否か判定するストイキ比判定手段を備え、
   前記制御マップは、前記ストイキ比判定手段がストイキ比は不足しないと判定した場合に参照される通常マップと、前記ストイキ比判定手段がストイキ比は不足すると判定した場合に参照されると共に前記通常マップよりも前記インジェクタの開時間の長いストイキ比不足用マップと、を含む
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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