JP7054640B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスを導くための燃料ガス供給路に並列に設けられた複数のインジェクタを備えた燃料電池システム及びその制御方法に関する。

特許文献１には、燃料ガス供給路に設けられた２つのインジェクタからエジェクタを構成するディフューザのスロート部に対して互いに異なる方向から燃料ガスを交互に噴射することにより、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させる技術的思想が開示されている。

特開２０１１－１７９３３３号公報

上述した特許文献１では、２つのインジェクタがエジェクタのスロート部に対して互いに異なる方向から燃料ガスを交互に噴射している。そのため、一方のインジェクタから燃料ガスを噴射したときの燃料オフガスの循環特性と他方のインジェクタから燃料ガスを噴射したときの燃料オフガスの循環特性とが互いに異なる。よって、燃料オフガスを燃料電池に安定して循環させることが容易ではない。

ところで、燃料電池が発電を行う際、燃料電池内（アノード流路内）に生成水が溜まることがある。このような燃料電池内の生成水は、燃料電池の入口と出口との間に、所定圧力以上の燃料ガスの差圧が排水必要時間以上作用することにより排水される。

しかしながら、上述した特許文献１では、２つのインジェクタから燃料ガスを交互に噴射しているため、燃料ガスの圧力脈動幅を充分に高めることができないことがある。そうすると、燃料ガスのストイキ不足になったり、燃料電池内の生成水を効率的に排水することができなかったりすることがある。

また、燃料電池システムでは、状況によってインジェクタの作動時の雑音及び振動を抑制することが望まれる。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池に安定して循環させることができ、状況に応じて燃料ガスのストイキ不足を抑制しつつ燃料電池内の生成水の排水効率を高めたりインジェクタの作動時の雑音及び振動を抑制したりすることができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料ガスシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを導くための燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に並列に設けられた複数のインジェクタと、前記燃料ガス供給路における複数の前記インジェクタよりも下流側に配設された１つのエジェクタと、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記エジェクタに導く循環流路と、を備えた燃料電池システムあって、前記エジェクタは、ディフューザと、複数の前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスを前記ディフューザに導くノズルと、を有し、前記燃料電池システムは、前記燃料電池が第１負荷状態であるか前記第１負荷状態よりも高負荷である第２負荷状態であるかを判定する負荷判定部と、複数の前記インジェクタを制御するインジェクタ制御部と、を備え、前記インジェクタ制御部は、前記燃料電池が前記第１負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタから１回ずつ又は複数回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードが行われるように複数の前記インジェクタを制御し、前記燃料電池が前記第２負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタの前記燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードと、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードとに切り替え可能なように複数の前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする。

このような構成によれば、複数のインジェクタから噴射された燃料ガスがエジェクタのノズルを介してディフューザに導かれるため、どのインジェクタから燃料ガスを噴射した場合であっても燃料オフガスの循環特性を略同じにすることができる。これにより、簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池に安定して循環させることができる。

また、燃料電池が第１負荷状態のときに、複数のインジェクタから１回ずつ又は複数回ずつ交代で間欠的に燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードを行う。そのため、燃料ガスの必要量が比較的少ない第１負荷状態であっても、インジェクタの１回当たりの燃料ガスの噴射時間を排水必要時間以上にすることができる。よって、燃料電池内の生成水を効率的に排水することができる。

さらに、燃料電池が第２負荷状態であるときに、複数のインジェクタからの燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードを行うことができる。この場合、燃料ガスの圧力脈動幅を比較的大きくすることができるため、燃料電池の入口と出口との間の燃料ガスの差圧を効果的に高めることができる。よって、燃料ガスのストイキ不足を抑制しつつ燃料電池内の生成水の排水効率を高めることができる。

さらにまた、燃料電池が第２負荷状態であるときに、複数のインジェクタからの燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードを行うことができる。この場合、第２噴射制御モードと比較して燃料ガスの圧力脈動幅を小さくすることができるため、インジェクタの作動時の雑音及び振動を抑制することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタ制御部は、前記第１噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタから１回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射してもよい。

このような構成によれば、複数のインジェクタの噴射回数のバラツキを抑えることができるため、各インジェクタの寿命の均一化を図ることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタ制御部は、前記第２噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を略同時に停止してもよい。

このような構成によれば、複数のインジェクタから同時に燃料ガスが噴射される時間を比較的長くすることができるため、燃料ガスのストイキ不足を一層抑制することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタ制御部は、前記第３噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして停止してもよい。

このような構成によれば、インジェクタの作動時の雑音及び振動を一層抑制することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタ制御部は、前記第３噴射制御モードの際に、少なくとも１つの前記インジェクタの休止時間の前後に亘って他の前記インジェクタから前記燃料ガスを噴射し続けてもよい。

このような構成によれば、燃料ガスのストイキ不足を抑制することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記インジェクタ制御部は、前記第１～第３噴射制御モードのそれぞれにおいて、各前記インジェクタの１回当たりの前記燃料ガスの噴射時間が互いに略同じになるように複数の前記インジェクタを制御してもよい。

このような構成によれば、一層簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池に安定して循環させることができる。

本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを導くための燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に並列に設けられた複数のインジェクタと、前記燃料ガス供給路における複数の前記インジェクタよりも下流側に配設された１つのエジェクタと、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記エジェクタに導く循環流路と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記エジェクタは、ディフューザと、複数の前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスを前記ディフューザに導くノズルと、を有し、前記燃料電池が第１負荷状態であるか前記第１負荷状態よりも高負荷である第２負荷状態であるかを判定する負荷判定工程と、複数の前記インジェクタを制御して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、を行い、前記燃料ガス供給工程では、前記燃料電池が前記第１負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタから１回ずつ又は複数回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードを行い、前記燃料電池が前記第２負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタの前記燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードと、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードとを状況に応じて切り替えて行う、ことを特徴とする。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記燃料ガス供給工程では、前記第１噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタから１回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射してもよい。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記燃料ガス供給工程では、前記第２噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を略同時に停止してもよい。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記燃料ガス供給工程では、前記第３噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして停止してもよい。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記燃料ガス供給工程では、前記第３噴射制御モードの際に、少なくとも１つの前記インジェクタの休止時間の前後に亘って他の前記インジェクタから前記燃料ガスを噴射してもよい。

本発明によれば、燃料電池が第１負荷状態であるときに、複数のインジェクタから１回ずつ又は複数回ずつ交代で間欠的に燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードを行う。また、燃料電池が第１負荷状態よりも高負荷である第２負荷状態であるときに、複数のインジェクタからの燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードと、複数のインジェクタからの燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードとが切り替え可能である。これにより、簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池に安定して循環させることができ、状況に応じて燃料ガスのストイキ不足を抑制しつつ燃料電池内の生成水の排水効率を高めたりインジェクタの作動時の雑音及び振動を抑制したりすることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 図２Ａは、第１インジェクタから燃料ガスを噴射した状態を示す説明図であり、図２Ｂは、第２インジェクタから燃料ガスを噴射した状態を示す説明図である。 図１の燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 第１噴射制御モードを説明するグラフである。 第１インジェクタ及び第２インジェクタから同時に燃料ガスを噴射した状態を示す説明図である。 第２噴射制御モードを説明するグラフである。 第３噴射制御モードを説明するグラフである。

以下、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持して構成される。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８と電解質膜・電極構造体２６との間には、アノード電極３４に燃料ガスを導くための燃料ガス流路３８が設けられている。第２セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２６との間には、カソード電極３６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路４０が設けられている。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体（冷媒）を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられている。

燃料電池スタック１２には、燃料ガス入口４４ａ、燃料ガス出口４４ｂ、酸化剤ガス入口４６ａ、酸化剤ガス出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。燃料ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３８の供給側に連通する。燃料ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３８の排出側に連通する。燃料ガス流路３８、燃料ガス入口４４ａ及び燃料ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

酸化剤ガス入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路４０の供給側に連通する。酸化剤ガス出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路４０の排出側に連通する。酸化剤ガス流路４０、酸化剤ガス入口４６ａ及び酸化剤ガス出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する燃料ガスタンク５０を備え、この燃料ガスタンク５０は、燃料ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４４ａに連通する。燃料ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する。

燃料ガス供給路５２は、第１供給路５４ａ、第１分岐路５４ｂ、第２分岐路５４ｃ及び第２供給路５４ｄを有する。第１供給路５４ａの上流側の端部は、燃料ガスタンク５０に連結されている。第１供給路５４ａの下流側の端部は、第１分岐路５４ｂと第２分岐路５４ｃの上流側の端部（分岐部５３）に連結されている。第１分岐路５４ｂと第２分岐路５４ｃとは、並列に設けられている。第２供給路５４ｄの上流側の端部は、第１分岐路５４ｂと第２分岐路５４ｃとの下流側の端部（合流部５５）に連結されている。第２供給路５４ｄの下流側の端部は、燃料ガス入口４４ａに連結されている。

第１分岐路５４ｂには第１インジェクタ５６が設けられ、第２分岐路５４ｃには第２インジェクタ５８が設けられている。第１インジェクタ５６は、周知の構成の電子制御式燃料噴射装置であって、第１供給路５４ａから第１分岐路５４ｂに導かれた燃料ガスを下流側に噴射する。

詳細な図示は省略するが、第１インジェクタ５６は、インジェクタ本体に形成された流路を開閉する弁体と、弁体を作動させるためのコイル（ソレノイド）とを有する。第１インジェクタ５６は、コイルに通電されることにより開弁し、コイルへの通電が遮断されることにより閉弁する。第２インジェクタ５８は、第１インジェクタ５６と略同一構成である。第２インジェクタ５８は、第１供給路５４ａから第２分岐路５４ｃに導かれた燃料ガスを下流側に噴射する。

第２供給路５４ｄには、エジェクタ６０が配設されている。エジェクタ６０は、合流部５５から導かれた燃料ガスにベンチュリ効果により負圧を発生させて後述する循環流路６８の燃料オフガスを吸い込み、燃料ガスに混合して下流側に吐出するものである。

図２に示すように、エジェクタ６０は、中空のボディ６２ａ、第１連結管６２ｂ、第２連結管６２ｃ、ノズル６２ｄ及びディフューザ６２ｅを有する。第１連結管６２ｂは、ボディ６２ａと合流部５５とを互いに連結する。第２連結管６２ｃは、ボディ６２ａと循環流路６８とを互いに連結する。ノズル６２ｄは、ボディ６２ａに設けられて第１連結管６２ｂ内に導かれた燃料ガスをボディ６２ａ内に導入する。ディフューザ６２ｅは、その上流側の開口部がノズル６２ｄに対向するように設けられている。

図１に示すように、燃料電池スタック１２の燃料ガス出口４４ｂには、燃料ガス排出路６４が連通する。燃料ガス排出路６４は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料オフガス（燃料排ガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。燃料ガス排出路６４には、気液分離器６６が設けられる。

燃料ガス排出路６４の下流側の端部には、循環流路６８とパージ流路７０とが連結されている。循環流路６８は、燃料オフガスをエジェクタ６０に導く。循環流路６８には、循環ポンプ７２が設けられる。循環ポンプ７２は、特に始動時に、燃料ガス排出路６４に排出された燃料オフガスを、循環流路６８を通って燃料ガス供給路５２に循環させる。

パージ流路７０には、パージ弁７４が設けられている。気液分離器６６の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７６の一端が連結されている。排水流路７６には、ドレイン弁７８が設けられている。

酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４６ａに連通する酸化剤ガス供給路８０と、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口４６ｂに連通する酸化剤ガス排出路８２とを備える。

酸化剤ガス供給路８０には、酸化剤ガス（大気からの空気）を圧縮して供給する酸化剤ガスポンプ８４が設けられている。酸化剤ガス供給路８０は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを導入し、酸化剤ガス排出路８２は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである排出酸化剤ガスを、燃料電池スタック１２から排出する。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路８６を備える。前記冷却媒体供給路８６には、冷媒ポンプ８８が設けられている。冷却媒体供給路８６は、ラジエータ９０に連結されるとともに、前記ラジエータ９０には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路９２が連結される。

制御部２２は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ、ＲＡＭ、等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）として機能する。なお、各種機能実現部は、ハードウエアとしての機能実現器により構成することもできる。

制御部２２は、負荷が必要とする電力に基づいて燃料電池スタック１２の発電量を制御する。負荷としては、例えば、図示しない走行用モータ等が挙げられる。なお、負荷は、酸化剤ガスポンプ８４及び冷媒ポンプ８８等を含んでいてもよい。

制御部２２は、負荷検出部９４、負荷判定部９６及びインジェクタ制御部９８を有する。負荷検出部９４は、燃料電池スタック１２の負荷を検出する。負荷判定部９６は、燃料電池スタック１２の負荷が第１負荷状態（低負荷状態）であるか第１負荷状態よりも高負荷の第２負荷状態（中・高負荷状態）であるかを判定する。インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８を制御（開弁及び閉弁）する。具体的には、インジェクタ制御部９８は、燃料電池スタック１２が第１負荷状態であるときに第１噴射制御モードを行い、燃料電池スタック１２が第２負荷状態であるときに、状況に応じて第２噴射制御モードと第３噴射制御モードとに切り替え可能である。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置１４では、燃料ガスタンク５０から第１供給路５４ａに燃料ガスが供給される。このとき、インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の少なくともいずれかを開弁制御する。第１インジェクタ５６から噴射された燃料ガスは、第１分岐路５４ｂから合流部５５に導かれる（図２Ａ及び図５参照）。第２インジェクタ５８から噴射された燃料ガスは、第２分岐路５４ｃから合流部５５に導かれる（図２Ｂ及び図５参照）。

そして、合流部５５に導かれた燃料ガスは、ノズル６２ｄからディフューザ６２ｅに吐出される。ディフューザ６２ｅに吐出された燃料ガスは、第２供給路５４ｄを介して燃料ガス入口４４ａに供給される。燃料ガス入口４４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路３８に導入され、燃料ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガスポンプ８４の回転作用下に、酸化剤ガス供給路８０に酸化剤ガスが送られる。この酸化剤ガスは、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４６ａに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口４６ａから酸化剤ガス流路４０に導入され、酸化剤ガス流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される燃料ガスと、カソード電極３６に供給される酸化剤ガス中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。この際、アノード電極３４ではプロトンが生成し、このプロトンが固体高分子電解質膜３２内を伝導してカソード電極３６に移動する。一方、カソード電極３６では、プロトン、電子、酸化剤ガス中の酸素によって水が生成する。生成した水（生成水）は、電解質膜を浸透してアノード電極３４に到達する。そのため、燃料電池スタック１２（アノード流路）内には、生成水が発生する。

また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ８８の作用下に、冷却媒体供給路８６から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路９２に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料ガス出口４４ｂから燃料ガス排出路６４に排出される。燃料オフガスは、燃料ガス排出路６４から循環流路６８を介してエジェクタ６０の第２連結管６２ｃに導入される。第２連結管６２ｃ内の燃料オフガスは、燃料ガスがノズル６２ｄからディフューザ６２ｅに吐出されることによって発生した負圧の作用によってエジェクタ６０内に吸引されて燃料ガスに混合される（図２Ａ、図２Ｂ及び図５参照）。

燃料ガス排出路６４に排出された燃料オフガスは、必要に応じて、パージ弁７４の開放作用下に外部に排出（パージ）される。同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口４６ｂから酸化剤ガス排出路８２に排出される。

次に、燃料電池システム１０の第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の具体的な制御方法について図３のフローチャートに沿って、以下に説明する。

図３のステップＳ１（負荷検出工程）において、負荷検出部９４は、燃料電池スタック１２の負荷を検出する。具体的には、負荷検出部９４は、例えば、燃料電池スタック１２の出力電力を検出する。

続いて、ステップＳ２（負荷判定工程）において、負荷判定部９６は、燃料電池スタック１２の負荷が第１負荷状態であるか第２負荷状態であるかを判定する。具体的には、負荷判定部９６は、燃料電池スタック１２の検出した出力電力が閾値以下である場合は、第１負荷状態（低負荷状態）であると判定し、出力電力が閾値を超えている場合は、第２負荷状態（中・高負荷状態）であると判定する。ここで、閾値は、例えば、燃料電池スタック１２の最大出力電力の３０％に設定される。ただし、閾値は、任意に設定可能である。閾値は、制御部２２のメモリに予め記憶されている。

ただし、負荷判定部９６による燃料電池スタック１２の負荷状態の判定は、任意の方法を採用することができる。例えば、負荷判定部９６は、車速又はアクセル開度が所定値以下である場合に第１負荷状態であると判定し、車速又はアクセル開度が所定値よりも大きい場合に第２負荷状態であると判定してもよい。

ステップＳ２で負荷判定部９６が第１負荷状態であると判定した場合、ステップＳ３（燃料ガス供給工程）において、インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から１回ずつ交代で間欠的に燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードが行われるように第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８を制御する（図２Ａ、図２Ｂ及び図４参照）。

図４に示すように、第１噴射制御モードでは、第１インジェクタ５６からの１回当たりの燃料ガスの噴射時間Ｔｆ１は、第２インジェクタ５８からの１回当たりの燃料ガスの噴射時間Ｔｆ２と略同じである。第２インジェクタ５８は、第１インジェクタ５６から燃料ガスが噴射されていない第１インジェクタ５６の休止時間Ｔｒ１に燃料ガスを噴射する。第１インジェクタ５６は、第２インジェクタ５８から燃料ガスが噴射されていない第２インジェクタ５８の休止時間Ｔｒ２に燃料ガスを噴射する。

この場合、第１インジェクタ５６から燃料ガスの噴射が開始されると、スタック間差圧が上昇して排水最低差圧Ｐ０に達する。ここで、スタック間差圧とは、燃料ガス入口４４ａの燃料ガスの圧力と燃料ガス出口４４ｂの燃料ガス（燃料オフガス）の圧力との差をいう。排水最低差圧とは、燃料電池スタック１２内の生成水を燃料ガス出口４４ｂから排水するのに必要なスタック間差圧をいう。

スタック間圧力が排水最低差圧Ｐ０に達してから所定の排水必要時間Ｔｎが経過すると、燃料電池スタック１２内の生成水の排水が開始される。また、スタック間圧力は、排水最低差圧Ｐ０を超えて第１排水差圧Ｐ１まで上昇する。そして、第１インジェクタ５６からの燃料ガスの噴射が停止されると、スタック間差圧が低下して燃料電池スタック１２内の生成水の排水が停止される。つまり、第１噴射制御モードでは、燃料電池スタック１２内の生成水は、第１排水時間Ｔａ１の間、排水される。

第２インジェクタ５８から燃料ガスを噴射した場合のスタック間差圧は、第１インジェクタ５６から燃料ガスを噴射した場合のスタック間差圧と同じように変化する。なお、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の瞬間噴射流量Ｖａ（単位時間当たりの噴射流量）は、燃料ガスの必要量が比較的少ない第１負荷状態（低負荷状態）であっても排水必要時間Ｔｎが確保できるような瞬間噴射流量に設定されている。ステップＳ３の処理が行われた後、今回のフローチャートは終了する。

図３のステップＳ２で負荷判定部９６が第２負荷状態であると判定した場合、ステップＳ４において、制御部２２は、静粛性の要求があるか否かを判定する。具体的には、制御部２２は、例えば、車両が停車しているか又は所定速度以下で走行している場合に静粛性の要求があると判定する。ただし、静粛性の要求の有無は、任意の方法によって判定することができる。例えば、制御部２２は、ユーザが所定のボタン等を入力した際に静粛性の要求があると判定してもよい。

制御部２２が静粛性の要求が無いと判定した場合（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ５（燃料ガス供給工程）において、インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードが行われるように第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８を制御する（図５及び図６参照）。

図６に示すように、第２噴射制御モードでは、第１インジェクタ５６からの１回当たりの燃料ガスの噴射時間Ｔｆ３は、第２インジェクタ５８からの１回当たりの燃料ガスの噴射時間Ｔｆ４と略同じである。第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から噴射される燃料ガスの合計瞬間噴射流量Ｖｂ（圧力脈動幅）は、第１噴射制御モードにおける瞬間噴射流量Ｖａ（圧力脈動幅）よりも大きい。

第２噴射制御モードにおいて、インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を略同時に停止する。第１インジェクの休止時間Ｔｒ３は、第２インジェクタ５８の休止時間Ｔｒ４と略同じである。

この場合、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から燃料ガスの噴射が略同時に開始されると、スタック間差圧が上昇して排水最低差圧Ｐ０に達する。スタック間差圧が排水最低差圧Ｐ０に達してから所定の排水必要時間Ｔｎが経過すると、燃料電池スタック１２内の生成水の排水が開始される。また、スタック間差圧は、排水最低差圧Ｐ０を超えて第２排水差圧Ｐ２まで上昇する。第２排水差圧Ｐ２は、第１噴射制御モードの第１排水差圧Ｐ１よりも大きい（図４参照）。

そして、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射が略同時に停止されると、スタック間差圧が低下して燃料電池スタック１２内の生成水の排水が停止される。つまり、第２噴射制御モードでは、燃料電池スタック１２内の生成水は、第２排水時間Ｔａ２の間、排水される。ステップＳ５の処理が行われた後、今回のフローチャートは終了する。

制御部２２が静粛性の要求が有ると判定した場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ６（燃料ガス供給工程）において、インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードが行われるように第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８を制御する（図７参照）。

図７に示すように、第３噴射制御モードでは、第１インジェクタ５６からの１回当たりの燃料ガスの噴射期間Ｔｆ５は、第２インジェクタ５８からの１回当たりの燃料ガスの噴射期間Ｔｆ６と略同じである。なお、第３噴射制御モードの噴射期間Ｔｆ５、Ｔｆ６は、第１噴射制御モードの噴射期間Ｔｆ１、Ｔｆ２よりも長い（図４参照）。第３噴射制御モードにおいて、第１インジェクタ５６の休止時間Ｔｒ５は、第２インジェクタ５８の休止時間Ｔｒ６と略同じである。

第３噴射制御モードにおいて、インジェクタ制御部９８は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を時間的にずらして停止する。第２インジェクタ５８は、第１インジェクタ５６の休止時間Ｔｒ５の前後に亘って燃料ガスを噴射し続ける。第１インジェクタ５６は、第２インジェクタ５８の休止時間Ｔｒ６の前後に亘って燃料ガスを噴射し続ける。

第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の両方から燃料ガスが噴射されている時間（合計瞬間噴射流量Ｖｂの時間）は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の片方からのみ燃料ガスが噴射されている時間（瞬間噴射流量Ｖａの時間）よりも短い。ただし、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の両方から燃料ガスが噴射されている時間は、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の片方からのみ燃料ガスが噴射されている時間と同一又は長くてもよい。

この場合、第３噴射制御モードにおける燃料ガスの圧力脈動幅（合計瞬間噴射流量Ｖｂ－瞬間噴射流量Ｖａ）は、第２噴射制御モードにおける燃料ガスの圧力脈動幅（合計瞬間噴射流量Ｖｂ）よりも小さくなる。ステップＳ６の処理が行われた後、今回のフローチャートは終了する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法は、以下の効果を奏する。

第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から噴射された燃料ガスは、エジェクタ６０のノズル６２ｄを介してディフューザ６２ｅに導かれる。そのため、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８のどちらから燃料ガスを噴射した場合であっても燃料オフガスの循環特性を略同じにすることができる。これにより、簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池スタック１２に安定して循環させることができる。

インジェクタ制御部９８は、燃料電池スタック１２が第１負荷であるときに、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から１回ずつ交代で間欠的に燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードが行われるように第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８を制御している。そのため、燃料ガスの必要量が比較的少ない第１負荷状態であっても、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の１回当たりの燃料ガスの噴射時間を排水必要時間以上にすることができる。よって、燃料電池スタック１２内の生成水を効率的に排水することができる。また、第１インジェクタ５６と第２インジェクタ５８の噴射回数のバラツキを抑えることができるため、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の寿命の均一化を図ることができる。

インジェクタ制御部９８は、燃料電池スタック１２が第２負荷状態であるときに、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードを行うことができる。この場合、燃料ガスの圧力脈動幅を比較的大きくすることができるため、スタック間差圧を効果的に高めることができる。よって、燃料ガスのストイキ不足を抑制しつつ燃料電池スタック１２内の生成水の排水効率を高めることができる。

インジェクタ制御部９８は、燃料電池スタック１２が第２負荷状態であるときに、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードを行うことができる。この場合、第２噴射制御モードと比較して燃料ガスの圧力脈動幅を小さくすることができるため、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の作動時の雑音及び振動を抑制することができる。

インジェクタ制御部９８は、第２噴射制御モードの際に、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの燃料ガスの噴射を略同時に停止している。これにより、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から同時に燃料ガスが噴射される時間を比較的長くすることができるため、燃料ガスのストイキ不足を一層抑制することができる。

インジェクタ制御部９８は、第３噴射制御モードの際に、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８からの噴射を時間的にずらして停止している。これにより、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８の作動時の雑音及び振動を一層抑制することができる。

インジェクタ制御部９８は、第３噴射制御モードの際に、第１インジェクタ５６の休止時間Ｔｒ５の前後に亘って第２インジェクタ５８から燃料ガスを噴射し、第２インジェクタ５８の休止時間Ｔｒ６の前後に亘って第１インジェクタ５６から燃料ガスを噴射している。これにより、燃料ガスのストイキ不足を抑制することができる。

インジェクタ制御部９８は、第１～第３噴射制御モードのそれぞれにおいて、第１インジェクタ５６の１回当たりの燃料ガスの噴射時間Ｔｆ１、Ｔｆ３、Ｔｆ５が第２インジェクタ５８の１回当たりの燃料ガスの噴射時間Ｔｆ２、Ｔｆ４、Ｔｆ６と略同じになるように第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８を制御している。これにより、一層簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池スタック１２に安定して循環させることができる。

第１インジェクタ５６と第２インジェクタ５８とは、互いに略同一構成である。これにより、さらに簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池スタック１２に安定して循環させることができる。

本発明は、上述した構成及び方法に限定されない。インジェクタ制御部９８は、第１噴射制御モードの際に、第１インジェクタ５６及び第２インジェクタ５８から複数回ずつ交代で間欠的に燃料ガスを噴射してもよい。燃料電池システム１０は、３つ以上のインジェクタを燃料ガス供給路５２に並列に設けてもよい。

本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成及び方法を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック（燃料電池）
５２…燃料ガス供給路 ５６…第１インジェクタ
５８…第２インジェクタ ６０…エジェクタ
６２ｄ…ノズル ６２ｅ…ディフューザ
６８…循環流路 ９６…負荷判定部
９８…インジェクタ制御部

Claims (11)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを導くための燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に並列に設けられた複数のインジェクタと、
   前記燃料ガス供給路における複数の前記インジェクタよりも下流側に配設された１つのエジェクタと、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記エジェクタに導く循環流路と、を備えた燃料電池システムあって、
   前記エジェクタは、
   ディフューザと、
   複数の前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスを前記ディフューザに導くノズルと、を有し、
   前記燃料電池システムは、
   前記燃料電池が第１負荷状態であるか前記第１負荷状態よりも高負荷である第２負荷状態であるかを判定する負荷判定部と、
   複数の前記インジェクタを制御するインジェクタ制御部と、を備え、
   前記インジェクタ制御部は、
   前記燃料電池が前記第１負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタから１回ずつ又は複数回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードが行われるように複数の前記インジェクタを制御し、
   前記燃料電池が前記第２負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタの前記燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードと、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードとに切り替え可能なように複数の前記インジェクタを制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタ制御部は、前記第１噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタから１回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタ制御部は、前記第２噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を略同時に停止する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタ制御部は、前記第３噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして停止する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタ制御部は、前記第３噴射制御モードの際に、少なくとも１つの前記インジェクタの休止時間の前後に亘って他の前記インジェクタから前記燃料ガスを噴射し続ける、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタ制御部は、前記第１～第３噴射制御モードのそれぞれにおいて、各前記インジェクタの１回当たりの前記燃料ガスの噴射時間が互いに略同じになるように複数の前記インジェクタを制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを導くための燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に並列に設けられた複数のインジェクタと、
   前記燃料ガス供給路における複数の前記インジェクタよりも下流側に配設された１つのエジェクタと、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記エジェクタに導く循環流路と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記エジェクタは、
   ディフューザと、
   複数の前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスを前記ディフューザに導くノズルと、を有し、
   前記燃料電池が第１負荷状態であるか前記第１負荷状態よりも高負荷である第２負荷状態であるかを判定する負荷判定工程と、
   複数の前記インジェクタを制御して前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、を行い、
   前記燃料ガス供給工程では、
   前記燃料電池が前記第１負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタから１回ずつ又は複数回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射する第１噴射制御モードを行い、
   前記燃料電池が前記第２負荷状態であるときに、複数の前記インジェクタの前記燃料ガスの噴射を略同時に開始する第２噴射制御モードと、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして開始する第３噴射制御モードとを状況に応じて切り替えて行う、
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項７記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料ガス供給工程では、前記第１噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタから１回ずつ交代で間欠的に前記燃料ガスを噴射する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項７又は８に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料ガス供給工程では、前記第２噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を略同時に停止する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項７～９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料ガス供給工程では、前記第３噴射制御モードの際に、複数の前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を時間的にずらして停止する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
11. 請求項７～１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料ガス供給工程では、前記第３噴射制御モードの際に、少なくとも１つの前記インジェクタの休止時間の前後に亘って他の前記インジェクタから前記燃料ガスを噴射する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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