JP2003208911A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池スタックへ微小な空気流量を供給す
る際、燃費を悪化させることなく、空気流量・圧力の制
御精度を向上する。 【解決手段】 空気供給手段１０２と、水素供給手段１
０７と、空気と水素により発電する発電手段１０４と、
空気供給手段１０２の作動状態を変更して空気流量を制
御する第一空気流量制御手段１０１と、空気供給手段１
０２と発電手段１０４との間の流路の開度を変えて流量
を制御する第二空気流量制御手段１０３と、発電手段１
０４の空気排出流路と空気供給手段１０２とを直接結ぶ
バイパス流路と、バイパス流路の空気流量を制御する第
三空気流量制御手段１０５とを備える。発電手段１０４
へ微量の空気を供給する場合、第一空気流量制御手段１
０１が空気供給手段１０２の空気流量を最小値に設定
し、第三空気流量制御手段１０５を所定開度に設定し、
第二空気流量制御手段１０３の開度を変えて流量制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料としての水素
と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電
池システムに関し、特にアイドル運転に必要とされる微
小な空気流量を燃料電池スタックへ供給する際の燃料電
池システムの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電解質として固体高分子を用いた燃料電
池において、固体高分子膜をイオンが移動可能とするた
め、一般に燃料電池スタックへ供給する空気を加湿して
いる。この加湿が不十分だと、燃料電池スタックにおけ
る固体高分子膜が乾燥し、イオンの移動が阻害され発電
効率が低下する。従って、燃料電池スタックへ供給する
空気は全て充分な加湿を行うことが必要である。

【０００３】また、この加湿に使用する水は、燃料電池
スタックからの排気に含まれる加湿した水分及び水素と
酸素が反応した時にできる生成水を回収して行ってい
る。仮に、加湿に要する水量が多く、生成水の量が少な
いとすると、水の消費が過大となり、加湿に必要な水を
確保できなくなり、水収支が悪化することになる。よっ
て、生成水の量と、加湿に要する水量がバランスしてい
ることが必要である。

【０００４】このため、供給した水素量の反応に必要な
空気量を精度良く供給することが要求される。もし、空
気量が過剰だと、過剰であってもスタックに供給する際
は加湿する必要があり、故に水の消費が多くなる一方、
水素の量は、空気量より少ないため、生成水の量も少な
くなり、水収支は悪化してしまう。

【０００５】特に車両用燃料電池システムにおいては、
アイドル運転時のような、供給される水素量が極めて小
さい時、これに合わせて、供給する空気流量も微少に精
度良く制御することが必要とされる。

【０００６】そこで、このようなアイドル運転時の微小
な空気流量を制御する従来の燃料電池システムとして
は、例えば、特開平１１−３１７２３４号公報に記載の
ものがある。

【０００７】この従来技術では、燃料電池に対して空気
を供給する空気ブロワと、空気ブロワと燃料電池との間
に燃料電池負荷に応じて流量を調節する調節弁を有する
構成において、部分負荷と最低負荷との間、すなわちア
イドル運転時における燃料電池に対する空気流量の調整
は、空気ブロワの回転数を一定として、調整弁の開度の
制御により行う技術が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アイド
ル運転時に必要とされる微小な空気流量は、例えば全負
荷の数％以下であるのに対し、従来の技術における空気
ブロワでは、回転数を低下させても、空気ブロワの内部
漏れ等により例えば全負荷の３０％以下の空気流量を微
小に制御することは困難であるという問題点があった。

【０００９】また、調整弁においても全負荷の数％の空
気流量を供給するための開度制御は、調整弁自体の制御
精度とほぼ同程度となり、やはりアイドル運転時に必要
とされる微小な空気流量を制御することは困難である。

【００１０】この時、空気ブロワ回転数を低下させて
も、アイドル運転に必要な空気流量まで低下させること
は困難で、アイドル運転に必要な空気流量以上の流量が
供給されるため、過剰な供給空気により空気ブロワの吐
出圧が上昇し、消費エネルギが増加し燃費の悪化も招く
恐れもある。

【００１１】また、従来の技術では、スタックに供給さ
れる空気流量の変動や、スタックで消費する空気量の変
化によって、スタック内圧も変動してしまうという問題
点があった。

【００１２】特に、アイドル運転時のような空気流量が
微小な場合、わずかな空気流量の変化やスタックで消費
する空気量の変化でも、スタック内圧が大きく変動する
恐れがある。スタック内圧は、固体高分子膜保護のため
精度良く制御する必要があるが、従来の技術では、スタ
ック内圧の制御精度が低下し、高分子膜を劣化させる恐
れがある。

【００１３】さらに、通常スタックの空気極内部に生成
される水は、空気極を流れる空気の流れによりスタック
外部へ排出される。しかし、アイドル運転時において、
仮に空気流量を微小に設定したとしても、空気の流れが
弱いと、スタックの空気極内部に生成される水が排出さ
れず、所謂水つまりを起こしてしまい、すると空気の供
給が不十分となり、発電効率が低下し、アイドル運転を
安定して継続することが困難となる。これを避けるた
め、空気流量を大きくすると、やはり水収支が悪化して
しまうとともに、上述のようにスタック内圧の変動が大
きくなるためスタック内圧の制御精度が低下し、高分子
膜を劣化させる恐れがある。

【００１４】すなわち、従来の技術では、アイドル運転
時、空気流量やスタック内圧を精度良く制御することが
困難であり、水収支や燃費の悪化や、高分子膜の劣化を
招く恐れがあるという問題点があった。

【００１５】本発明は、上記問題点に着目してなされた
もので、その目的とするところは、アイドル運転時等の
燃料電池スタックへ微小な空気流量を供給する際、燃費
を悪化させることなく、空気流量・圧力の制御精度を向
上することができる燃料電池システムを提供することに
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、空気を供給する空気供給手
段と、水素を供給する水素供給手段と、供給された空気
と水素とを基に発電する発電手段と、前記空気供給手段
の作動状態を変更して前記空気供給手段が供給する空気
流量を制御する第一空気流量制御手段と、前記空気供給
手段と前記発電手段との間の空気供給流路の開度を変え
て該空気供給流路を流れる空気流量を制御する第二空気
流量制御手段と、前記発電手段から未使用分の空気を排
出する排出流路と前記空気供給手段とを直接結ぶバイパ
ス流路と、該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流
路を流れる空気流量を制御する第三空気流量制御手段
と、を備え、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を
供給する場合、第一空気流量制御手段により、前記空気
供給手段が供給する空気流量を最小値に設定し、第三空
気流量制御手段の開度を所定開度に設定し、第二空気流
量制御手段の開度を変えて前記発電手段に供給する空気
流量を制御することを要旨とする燃料電池システムであ
る。

【００１７】上記目的を達成するため、請求項２記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記排出流路と前記バイパス流路との合流部分より下流の
合流部分下流流路に設けられ、該合流部分下流流路の開
度を変え、前記発電手段内部の空気流路の圧力を制御す
る空気圧力制御手段を備え、該空気圧力制御手段によ
り、前記合流部分下流流路の開度を略一定に設定するこ
とを要旨とする。

【００１８】上記目的を達成するため、請求項３記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記所定流量はアイドル運転時において、前記発電手段の
発電に必要十分な空気流量とすることを要旨とする。

【００１９】上記目的を達成するため、請求項４記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、
第三空気流量制御手段の開度を全開とすることを要旨と
する。

【００２０】上記目的を達成するため、請求項５記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記発電手段へ所定流量以上の空気流量を供給する場合、
第三空気流量制御手段の開度を所定開度以下とすること
を要旨とする。

【００２１】上記目的を達成するため、請求項６記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記第一空気流量制御手段により前記空気供給手段が供給
する空気流量の最小値が大きいほど、前記第三空気流量
制御手段の全開時の開口面積及び該バイパス流路内径を
大きくすることを要旨とする。

【００２２】上記目的を達成するため、請求項７記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記第一空気流量制御手段は、前記空気供給手段が供給す
る空気流量を、前記空気供給手段が安定して供給可能な
空気流量の最小値に設定するとともに、該最小値を予め
定めた基準値と比較し、前記最小値が前記基準値より大
きければ、第三空気流量制御手段の開度をより大きく設
定し、前記最小値が前記基準値より小さければ、第三空
気流量制御手段の開度をより小さく設定することを要旨
とする。

【００２３】上記目的を達成するため、請求項８記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する際、第
三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電
手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内
部の空気流路に溜まる水を排出する水排出制御手段を備
えたことを要旨とする。

【００２４】上記目的を達成するため、請求項９記載の
発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前
記水排出制御手段は、第三空気流量制御手段の開度を所
定間隔ごとに一定時間小さくすることを要旨とする。

【００２５】上記目的を達成するため、請求項１０記載
の発明は、請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記水排出制御手段は、前記発電手段の発電量が大きい
ほど前記所定間隔を短くすることを要旨とする。

【００２６】上記目的を達成するため、請求項１１記載
の発明は、請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気
流量が大きいほど前記所定間隔を短くすることを要旨と
する。

【００２７】上記目的を達成するため、請求項１２記載
の発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、
前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気
流量を検出し、該検出値が予め定めた閾値を下回った場
合、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前
記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電
手段内部の空気流路に溜まる水を排出することを要旨と
する。

【００２８】上記目的を達成するため、請求項１３記載
の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記発電手段へ供給する空気流量を、前記所定流量以下
から、前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値以
上に急増する場合、第一空気流量制御手段により、前記
空気供給手段が供給する空気流量を増加させるととも
に、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加開始し
てから所定時間の間、第二空気流量制御手段及び第三空
気流量制御手段の開度を共に全開とし、前記所定時間経
過後、第三空気流量制御手段の開度を全閉とし、第一空
気流量制御手段及び第二空気流量制御手段により、前記
発電手段に供給する空気流量を制御することを要旨とす
る。

【００２９】上記目的を達成するため、請求項１４記載
の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおい
て、前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量
の目標値の変化幅が大きいほど、長くすることを要旨と
する。

【００３０】上記目的を達成するため、請求項１５記載
の発明は、請求項１４記載の燃料電池システムにおい
て、前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量
の目標値の変化幅が所定量よりも小さい場合、０とする
ことを要旨とする。

【００３１】上記目的を達成するため、請求項１６記載
の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおい
て、前記発電手段へ供給する空気流量が、目標値に対し
て小さい所定値以上になった場合、前記所定時間経過前
でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とすることを
要旨とする。

【００３２】上記目的を達成するため、請求項１７記載
の発明は、請求項１６記載の燃料電池システムにおい
て、前記所定値は、第二空気流量制御手段の開度が全開
の時の空気流量に対する、第三空気流量制御手段の開度
が全開の時の空気流量の比率に１を加えた値で、前記発
電手段へ供給する空気流量の目標値を割った値とするこ
とを要旨とする。

【００３３】上記目的を達成するため、請求項１８記載
の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおい
て、前記空気供給手段が供給する空気流量の時間に対す
る増加率が所定増加率を超えた場合、前記所定時間経過
前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とすること
を要旨とする。

【００３４】上記目的を達成するため、請求項１９記載
の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおい
て、前記空気供給手段が供給する空気流量の変化を検出
する供給空気流量変化検出手段を備え、前記供給空気流
量変化検出手段により前記空気供給手段が供給する空気
流量が低下している場合、該低下量が大きい程、前記所
定時間を長くすることを要旨とする。

【００３５】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、空気供給
手段が供給する空気流量は、空気供給流路と、バイパス
流路とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路に流す
ことにより、空気供給流路を通り発電手段へ全負荷の数
％程度の微小な空気流量を精度よく供給することが可能
となるという効果がある。

【００３６】さらに、空気供給手段が供給する空気流量
のうち、発電手段へ供給されない余分な空気流量はバイ
パス流路に流れるため、空気供給手段が供給する空気の
圧力が上昇せず、消費エネルギを抑制することができる
という効果がある。

【００３７】請求項２記載の発明によれば、空気供給手
段が供給する空気流量は、第二空気流量制御手段の開度
と第三空気流量制御手段の開度との比率に基づき、空気
供給流路とバイパス流路とに振り分けられ、空気供給流
路を通り発電手段へ供給された空気流量は、発電手段で
必要量が消費された後、排出流路を通り、排出流路とバ
イパス流路の合流部分で、再びバイパス流路を流れる空
気流量と一緒になる。ここで、空気供給流路を通り発電
手段へ供給された空気流量は微小であり発電手段で消費
される量も微小なため、合流部分より下流流路における
空気流量は、空気供給手段が最初に供給した空気流量と
ほぼ等しく、また、空気供給手段が供給する空気流量が
一定であれば、第二空気流量制御手段の開度を変え該発
電手段に供給する空気流量を制御しても、変動もほとん
ど無い。

【００３８】従って、空気圧力制御手段が、合流部分よ
り下流流路の開度を変え、ここを流れる空気流量を絞り
発電手段内部の空気流路の圧力を制御する際、下流流路
の空気流量はほぼ一定であるため、空気圧力制御手段の
開度を略一定に設定することにより、アイドル運転時の
発電手段内部の空気圧力の変動を抑制し、高精度に制御
することができるという効果がある。

【００３９】請求項３記載の発明によれば、アイドル運
転時は発電手段に供給する空気流量の目標値が変化して
も、第一空気流量制御手段が第三空気流量制御手段は最
初に設定した値のままとし、第二空気流量制御手段のみ
により発電手段に供給する空気流量を制御することがで
き、制御を簡素化することができるという効果がある。

【００４０】請求項４記載の発明によれば、第三空気流
量制御手段の開度に対する第二空気流量制御手段の開度
の比率が小さくなり、発電手段へより微小な空気流量を
精度良く供給することが可能となるという効果がある。

【００４１】請求項５記載の発明によれば、発電手段へ
供給する空気流量範囲全域において、精度良く空気流量
を供給することが可能となるという効果がある。

【００４２】請求項６記載の発明によれば、空気供給手
段が供給する空気流量の最小値に応じて適切な空気流量
をバイパス流路に流すことができ、発電手段へ微小な空
気流量を精度良く供給することが可能となるという効果
がある。

【００４３】請求項７記載の発明によれば、空気供給手
段が供給する空気流量の最小値が、経時劣化や外気温、
外気圧等により変動しても、安定した空気流量の供給が
可能となるとともに、安定して供給可能な空気流量の最
小値が変化しても、該変動に基づき第三空気流量制御手
段の開度を設定することにより、バイパス流路を流れる
空気流量を調整し、空気供給流路を通り発電手段へ供給
される空気流量に、該変化の影響が表れないようにし、
発電手段へ微小な空気流量を精度良く供給することが可
能となるという効果がある。

【００４４】請求項８記載の発明によれば、発電手段内
部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となると
ともに、この場合でも、バイパス流路における空気流量
を減らし、その分空気供給流路における空気流量を増や
し、発電手段へ供給される空気流量を大きくするのであ
って、空気圧力制御手段を流れる空気流量はほぼ一定で
あるため、発電手段内部の空気流路の圧力は、変動が抑
制され、高精度に制御されるという効果がある。

【００４５】請求項９記載の発明によれば、確実に発電
手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能と
なるという効果がある。

【００４６】請求項１０記載の発明によれば、発電量が
大きく、すなわち発電手段における生成水が多く発生
し、発電手段内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほ
ど、短い間隔で発電手段内部の空気流路に溜まる水を排
出することが可能となるという効果がある。

【００４７】請求項１１記載の発明によれば、発電手段
に供給される空気流量が大きく、すなわち発電手段にお
ける生成水が多く発生し、発電手段内部の空気流路に水
が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で発電手段内部の空
気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効
果がある。

【００４８】請求項１２記載の発明によれば、発電手段
内部の空気流路に溜まる水を適切なタイミングで排出す
ることが可能となるという効果がある。

【００４９】請求項１３記載の発明によれば、空気供給
手段に対する負荷を低減して、空気を流れやすくできる
ようになり、空気供給手段が供給する空気流量を短時間
で増加可能とし、応答性を向上させるという効果があ
る。

【００５０】請求項１４記載の発明によれば、空気供給
手段に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより
流れやすくし、空気供給手段が供給する空気流量の応答
性が目標値に応じて適切に向上されるという効果があ
る。

【００５１】請求項１５記載の発明によれば、空気供給
手段が供給する空気流量の増加が小さく、あえて空気供
給手段に対する負荷を低減しなくても、応答性が確保で
きる場合に、所定時間を０とするができ、制御が簡略化
されるという効果がある。

【００５２】請求項１６記載の発明によれば、空気供給
手段に対する負荷を増加させ、空気供給手段が供給する
空気流量の増加を抑制し、発電手段へ供給する空気流量
が目標値以上となることを防止し、制御性を向上すると
いう効果がある。

【００５３】請求項１７記載の発明によれば、第三空気
流量制御手段の開度を全閉とした時に、発電手段へ供給
する空気流量が目標値に略一致することとなり、制御性
が向上するという効果がある。

【００５４】請求項１８記載の発明によれば、空気流量
増加率が過大となり、発電手段へ供給する空気流量が目
標値以上となる恐れがある場合にも、空気供給手段に対
する負荷を増加させ、空気供給手段が供給する空気流量
の増加を抑制し、発電手段へ供給する空気流量が目標値
以上となることを防止し、制御性を向上するという効果
がある。

【００５５】請求項１９記載の発明によれば、空気供給
手段が供給する空気流量が経時劣化により低下し応答性
が低下する恐れがある場合にも、空気供給手段に対する
負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすく
し、空気供給手段が供給する空気流量の応答性が、空気
供給手段が供給する空気流量に応じて適切に向上される
という効果がある。

【００５６】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明に係
る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。

【００５７】図１は、本発明に係る燃料電池システムの
要部構成を示す概念図である。同図において、燃料電池
システムは、空気を供給する空気供給手段１０２と、水
素を供給する水素供給手段１０７と、供給された空気と
水素とを基に発電する発電手段１０４と、空気供給手段
１０２の作動状態を変更して空気供給手段１０２が供給
する空気流量を制御する第一空気流量制御手段１０１
と、空気供給手段１０２と発電手段１０４との間の空気
供給流路の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流
量を制御する第二空気流量制御手段１０３と、発電手段
１０４から未使用分の空気を排出する排出流路と空気供
給手段１０２とを直接結ぶバイパス流路と、該バイパス
流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる空気流量を
制御する第三空気流量制御手段１０５と、を備えてい
る。

【００５８】そして、発電手段１０４へ所定流量以下の
空気流量を供給する場合、第一空気流量制御手段１０１
により、空気供給手段１０２が供給する空気流量を最小
値に設定し、第三空気流量制御手段１０５の開度を所定
開度に設定し、第二空気流量制御手段１０３の開度を変
えて発電手段１０４に供給する空気流量を制御すること
を特徴とする。

【００５９】これにより、発電手段１０４へ供給する空
気流量が所定流量、例えば全負荷時の数％程度以下の場
合に、空気供給手段１０２が供給する空気流量は、第二
空気流量制御手段を通る空気供給流路と、第三空気流量
制御手段を通るバイパス流路とに分かれ、余分な空気流
量をバイパス流路に流すことにより、空気供給流路を通
り発電手段１０４へ微小な空気流量を精度よく供給する
ことができる。

【００６０】ここで、空気供給流路とバイパス流路とを
流れる空気流量は、各流路に設けられた第二空気流量制
御手段１０３の開度と第三空気流量制御手段１０５の開
度との比率に基づいて定まるため、第二空気流量制御手
段１０３の開度が、例えば全負荷の数％に相当する微小
な開度を制御できない場合でも、第二空気流量制御手段
１０３の例えば全開時の開度を第三空気流量制御手段１
０５の開度の例えば１／１０に設定できれば、空気供給
流路を通り発電手段１０４へ供給される空気流量は、空
気供給手段１０２の供給する全負荷の空気流量の１／１
０となり、微小な空気流量を精度良く制御することが可
能となる。

【００６１】〔第１の実施形態〕第１の実施形態は、請
求項１乃至請求項７に記載の発明に対応する燃料電池シ
ステムであり、まず構成を説明する。

【００６２】図２は、第１の実施形態の燃料電池システ
ムを示す全体システム図である。図２において、燃料電
池システムは、空気を浄化するフィルタ１と、浄化され
た空気を圧縮するコンプレッサ２と、空気流量を測定す
る空気流量センサ３と、バイパス流路２１の空気流量を
制御するバイパス空気流量制御弁４と、燃料電池スタッ
ク７の空気極へ供給する空気流量を制御するメイン空気
流量制御弁５と、空気圧力を測定する圧力センサ６と、
供給された空気及び水素を用いて発電する燃料電池スタ
ック７と、空気極の圧力を制御する圧力制御弁８と、高
圧水素ガスを貯蔵する水素タンク９と、高圧水素ガスを
減圧するプレッシャレギュレータ１０と、水素ガス流量
を測定する水素流量センサ１１と、水素ガス流量を制御
する水素流量制御弁１２と、燃料電池スタック７からの
排ガスを燃焼させる燃焼器１３と、コントロールユニッ
ト１４と、バイパス流路２１と、空気供給流路２２と、
空気排出流路２３と、バイパス流路２１と空気排出流路
２３との合流部分より下流の流路２４と、水素供給流路
２５と、水素排出流路２６と、燃焼ガス排出流路２７と
を備えている。

【００６３】フィルタ１は、コンプレッサ２が吸い込む
空気中の不純物を取り除く。コンプレッサ２は、フィル
タ１を通して浄化された空気を吸い込み、圧縮して吐出
し、燃料電池スタック７へ空気を供給する。また、コン
トロールユニット１４により回転数制御され、供給する
空気流量が制御される。

【００６４】空気流量センサ３は、空気供給流路２２を
流れる空気流量を検出し、検出値をコントロールユニッ
ト１４に入力する。また、コントロールユニット１４
は、空気流量センサ３の検出値に基づき、メイン空気流
量制御弁５の開度を制御し、空気供給流路２２を流れ、
燃料電池スタック７へ供給される空気流量を制御する。

【００６５】バイパス空気流量制御弁４は、コントロー
ルユニット１４からの指令に基づき、開度を変更し、バ
イパス流路２１を流れる空気流量を制御する。

【００６６】圧力センサ６は、空気供給流路２２におけ
る燃料電池スタック７に入る直前の圧力を検出し、検出
値をコントロールユニット１４に入力する。また、コン
トロールユニット１４は、圧力センサ６の検出値に基づ
き、圧力制御弁８へ指令を送る。圧力制御弁８は、コン
トロールユニット１４からの指令に従い、バイパス流路
２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２
４の開度を変えることにより、燃料電池スタック内部の
空気流路の圧力を制御する。

【００６７】燃料電池スタック７は、メイン空気流量制
御弁５を通り供給される空気と、水素流量制御弁１２を
通り供給される水素とを用いて発電する。

【００６８】水素タンク９は、水素を貯蔵する。プレッ
シャレギュレータ１０は、水素タンク９から供給される
水素の圧力を一定の圧力に制御して出力する。

【００６９】水素流量センサ１１は、水素供給流路２５
を流れる水素流量を検出し、検出値をコントロールユニ
ット１４に入力する。また、コントロールユニット１４
は、水素流量センサ１１の検出値に基づき、水素流量制
御弁１２の開度を制御し、水素供給流路２５を流れ、燃
料電池スタック７へ供給される水素流量を制御する。

【００７０】燃焼器１３は、内部に触媒を有し、燃料電
池スタック７から排気され、空気排出流路２３と、バイ
パス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流
の流路２４と通り供給される空気と、燃料電池スタック
７から排気され、水素排出流路２６を通り供給される水
素とを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、
燃焼ガス排出流路２７を通り、外部へ排気される。

【００７１】以上説明した構成において、フィルタ１と
コンプレッサ２とが図１における空気供給手段（１０
２）に相当し、水素タンク９とプレッシャレギュレータ
１０が水素供給手段（１０７）に相当し、燃料電池スタ
ック７が発電手段（１０４）に相当し、コントロールユ
ニット１４が第一空気流量制御手段（１０１）に相当
し、空気流量センサ３とメイン空気流量制御弁５とコン
トロールユニット１４が第二空気流量制御手段（１０
３）に相当し、バイパス空気流量制御弁４とコントロー
ルユニット１４が第三空気流量制御手段（１０５）に相
当し、水素流量センサ１１と水素流量制御弁１２とコン
トロールユニット１４が水素流量制御手段（１０８）に
相当し、圧力センサ６と圧力制御弁８とコントロールユ
ニット１４が空気圧力制御手段（１０６）に相当し、空
気供給流路２２が空気供給流路に相当し、空気排出流路
２３が排出流路に相当し、バイパス流路２１がバイパス
流路に相当し、バイパス流路２１と空気排出流路２３と
の合流部分より下流の流路２４が、該排出流路と該バイ
パス流路の合流部分より下流の流路に相当する。

【００７２】次に本発明の特徴である、燃料電池スタッ
ク７へ供給する空気流量の制御に関する作用を説明す
る。

【００７３】図３は、第１の実施形態の作用を示すフロ
ーチャートである。図３のフローチャートは、コントロ
ールユニット１４において、予め定められた一定の制御
周期毎に繰り返し実行される。制御周期は実験的に定め
られるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。

【００７４】まず、ステップＳ３１では、燃料電池スタ
ック７へ供給する空気流量が所定流量以下か否かを判定
し、所定流量以下の場合、ステップＳ３２へ進み、所定
流量以上の場合、ステップＳ３６へ進む。

【００７５】ステップＳ３２では、コンプレッサ２の回
転数を最低回転数に設定する。ステップＳ３３では、バ
イパス空気流量制御弁４の開度を所定開度に設定する。
ステップＳ３４では、圧力センサ６の検出値に基づき、
該検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度
を設定する。

【００７６】ステップＳ３５では、空気流量センサ３の
検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気
流量が目標空気流量となるよう、メイン空気流量制御弁
５の開度を変える。

【００７７】また、ステップＳ３１から、ステップＳ３
６へ進んだ場合、ステップＳ３６ではバイパス空気流量
制御弁４の開度を所定開度以下に設定する。ステップＳ
３７では、圧力センサ６の検出値に基づき、該検出値が
予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定す
る。

【００７８】ステップＳ３８では、空気流量センサ３の
検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気
流量が目標空気流量となるよう、コンプレッサ２の回転
数及びメイン空気流量制御弁５の開度を変える。

【００７９】以上のフローチャートにより、燃料電池ス
タック７へ供給する空気流量が所定流量以下の場合、す
なわち、微小流量を供給する場合、ステップＳ３１から
ステップＳ３２へ進み、これ以降のステップにより、コ
ンプレッサ２の回転数を最低回転数まで下げ、コンプレ
ッサ２が供給する空気流量を最小値に設定し、これによ
り、例えば全負荷の３０％程度まで供給する空気流量を
下げ、さらにバイパス空気流量制御弁４の開度を所定開
度に設定することにより、コンプレッサ２が供給する空
気流量は、バイパス流路２１と空気供給流路２２とに分
かれ、余分な空気流量をバイパス流路２１に流すことに
より、以下に説明する理由により空気供給流路２２を通
り燃料電池スタックへ全負荷の数％程度の微小な空気流
量を供給することが可能となる。

【００８０】すなわち、バイパス流路２１を流れる空気
流量Ｑ１と空気供給流路２２とを流れる空気流量Ｑ２
は、各流路に設けられたバイパス空気流量制御弁４の開
度Ｓ１とメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２との比率に
基づき定まり、Ｑ１：Ｑ２≒Ｓ１：Ｓ２の関係が成立す
る。また、コンプレッサ２が供給する空気流量をＱ０と
すると、Ｑ０＝Ｑ１＋Ｑ２である。従って、空気供給路
２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量Ｑ
２は、

【数１】Ｑ２＝Ｑ０／（１＋Ｓ１／Ｓ２） …（１） （１）式で表される。

【００８１】従って、コンプレッサ２が供給する空気流
量Ｑ０が全負荷の３０％の時、バイパス空気流量制御弁
４の開度Ｓ１に対しメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２
が例えば１／１０に設定できれば、空気供給流路２２を
通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量Ｑ２は、
（１）式からＱ０の１／１１、すなわち全負荷の約３％
となり、微小な空気流量を精度良く制御することが可能
となる。また、例えばメイン空気流量制御弁５の全開時
の開度とバイパス空気流量制御弁４の全開時の開度が同
じであり、バイパス空気流量制御弁４の開度が全開であ
るとすると、バイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１に対
するメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２を１／１０に設
定するというのは、メイン空気流量制御弁の開度は全開
時の１／１０、つまり１０％という比較的大きな値に設
定すれば良いことになり、確実に微小な空気流量を制御
することができる。

【００８２】ここで仮に、バイパス流路２１及びバイパ
ス空気流量制御弁４が無く、メイン空気流量制御弁５の
みで燃料電池スタック７へ供給する空気流量を制御する
場合、メイン空気流量制御弁５の絶対的な開度を精度良
く制御する必要がある。従って、上記と同じ全負荷の３
％の空気流量を燃料電池スタック７へ供給するために
は、全負荷の３％に相当する微小な開度を設定する必要
があり、一般に制御精度が２％程度はあることを考慮す
ると、全負荷の３％に相当する微小な開度の設定は極め
て困難なものとなる。

【００８３】さらに、コンプレッサ２が供給する空気流
量のうち、燃料電池スタック７へ供給されない余分な空
気流量はバイパス流路２１に流れるため、コンプレッサ
吐出圧が上昇せず、消費エネルギが抑制される。

【００８４】また、ステップＳ３３でバイパス空気流量
制御弁４の開度Ｓ１を所定開度に設定する際、開度を全
開に設定しても良く、この場合、（１）式における、メ
イン空気流量制御弁の開度Ｓ２の比率Ｓ１／Ｓ２が大き
くなるため、より微小な空気流量を精度良く制御するこ
とが可能となる。

【００８５】また、本発明では、コンプレッサ２が供給
する空気流量は、バイパス空気流量制御弁４の開度とメ
イン空気流量制御弁５の開度との比率に基づき、バイパ
ス流路２１と空気供給流路２２とに振り分けられ、空気
供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給された空
気流量は、燃料電池スタック７で必要量が消費された
後、空気排出流路２３を通り、空気排出流路２３とバイ
パス流路２１の合流部分で、再びバイパス流路２１を流
れる空気流量と一緒になる。ここで、空気供給流路２２
を通り燃料電池スタック７へ供給された空気流量は微小
であり燃料電池スタック７で消費される量も微小なた
め、合流部分より下流流路における空気流量は、コンプ
レッサ２が最初に供給した空気流量とほぼ等しく、ま
た、コンプレッサ２が供給する空気流量が一定であれ
ば、メイン空気流量制御弁５の開度を変え燃料電池スタ
ック７に供給する空気流量を制御しても、変動もほとん
ど無い。

【００８６】従って、圧力制御弁８が、合流部分より下
流の流路２４の開度を変え、ここを流れる空気流量を絞
り燃料電池スタック７内部の空気流量の圧力を制御する
際、下流流路２４の空気流量はほぼ一定であるため、ス
テップＳ３４で、圧力センサ６の検出値に基づき、該圧
力センサ６の検出値が予め定めた値となるよう圧力制御
弁８の開度を設定した後、該開度を保つようにすること
により、燃料電池スタック７内部の空気流路の圧力は、
変動が抑制され、高精度に制御される。

【００８７】また、ステップＳ３１における所定流量
は、例えばアイドル運転時において燃料電池スタック７
の発電に必要十分な空気流量、すなわち、アイドル運転
時に要する最大流量とすると良い。この場合、アイドル
運転時において、燃料電池スタック７に供給する空気流
量の目標値が変化しても、コンプレッサ回転数及びバイ
パス空気流量制御弁４の開度は最初に設定した値のまま
とし、メイン空気流量制御弁５の開度のみにより燃料電
池スタック７に供給する空気流量を制御することがで
き、制御が簡素化される。

【００８８】また、燃料電池スタック７へ供給する空気
流量が所定流量以上の場合、ステップＳ３６へ進み、ス
テップＳ３６において、バイパス空気流量制御弁４の開
度を所定開度以下、例えば、全閉に設定する。これによ
り、コンプレッサ２の供給する空気流量の大部分が空気
供給流路２２に流れるため、燃料電池スタック７へ供給
する空気流量範囲全域において、精度良く空気流量を供
給することが可能となる。

【００８９】なお、本発明において、図４に示すよう
に、コンプレッサ２が最低回転数の時に供給する空気流
量の最小値が大きいほど、バイパス空気流量制御弁４の
全開時の開口面積及びバイパス流路２１断面積を大きく
しても良い。この場合、（１）式において、コンプレッ
サ２が供給する空気流量の最小値Ｑ０が大きくても、こ
れに応じてバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１も大き
くなり、メイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２を変えずと
も空気供給流路２２とを流れる空気流量Ｑ２は結果的に
同じレベルとなり、すなわち、Ｑ０に応じて適切な空気
流量がバイパス流路２１に流れることとなり、燃料電池
スタック７へ微小な空気流量を精度良く供給することが
可能となる。

【００９０】さらに、図３のステップＳ３２及びＳ３３
で設定されたコンプレッサ２の回転数及びバイパス空気
流量制御弁４の開度は、図５に示すフローチャートに従
い設定しても良い。

【００９１】図５は、ステップＳ３２とＳ３３における
サブルーチンとして作用するものであり、図３と同様に
コントロールユニット１４において、予め定められた一
定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実
験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値で
ある。

【００９２】ステップＳ５１では、コンプレッサ２の回
転数を最低回転数に近い、予め定めた回転数に設定す
る。ステップＳ５２では、ステップＳ５１で設定された
回転数で、コンプレッサ２が安定した空気流量を供給し
ているか判定する。これは、例えば、ある時間内、空気
流量センサ３により空気流量を検出し、その変動量が、
許容レベル内にあるか否かで判定を行う。

【００９３】ステップＳ５２で、コンプレッサ２が安定
して空気流量を供給していないと判定した場合、ステッ
プＳ５３に進み、コンプレッサ２の回転数を増加させ、
再度ステップＳ５２に進み、コンプレッサ２が安定して
空気流量を供給しているか判定し、以後、ステップＳ５
２〜ステップＳ５３を繰り返し、コンプレッサ２が安定
して空気流量を供給する回転数を求める。

【００９４】ステップＳ５２で、コンプレッサ２が安定
して空気流量を供給すると判定したら、ステップＳ５４
へ進む。ステップＳ５４では、コンプレッサ２の供給空
気流量を、基準値と比較し、その差を求める。ここで、
基準値は、例えば、前回のアイドル運転において設定し
た回転数における流量とする。

【００９５】ステップＳ５５では、ステップＳ５４で求
めたコンプレッサ２の供給空気流量の基準値との差を基
に、図６に従い、バイパス空気流量制御弁４の開度を設
定する。

【００９６】以上のフローチャートによりコンプレッサ
２が供給する空気流量を、コンプレッサ２が安定して供
給可能な空気流量の最小値に設定することにより、コン
プレッサ２が供給する空気流量の最小値が、経時劣化や
外気温、外気圧等により変動しても、安定した空気流量
の供給が可能となるとともに、安定して供給可能な空気
流量の最小値が変化しても、該変動に基づきバイパス空
気流量制御弁４の開度を設定することにより、バイパス
流路２１を流れる空気流量を調整し、空気供給流路２２
を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量に、該
変化の影響が表れないようにすることができ、燃料電池
スタック７へ微小な空気流量を精度良く供給することが
可能となる。

【００９７】〔第２の実施形態〕次に第２の実施形態に
ついて説明する。第２の実施形態は、請求項８乃至請求
項１２に記載の発明に対応する燃料電池システムであ
る。その構成は、第１の実施形態と同等であるため、説
明を省略する。

【００９８】次に作用を説明する。図７は、第２の実施
形態の作用を示すフローチャートである。図７のフロー
チャートは、コントロールユニット１４において、予め
定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。
制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍ
ｓ程度の値である。

【００９９】ステップＳ７１では、前回、バイパス空気
流量制御弁４の開度を小さくした後、所定間隔経過した
か否かを判定し、所定間隔経過した場合に、次のステッ
プＳ７２へ進む。ステップＳ７２では、バイパス空気流
量制御弁４の開度を一定時間、小さく設定する。

【０１００】ここで、所定間隔は、例えば図８に示すよ
うに、本フローチャート実行中における発電量、あるい
は、燃料電池スタック７へ供給される空気流量に基づき
設定される。

【０１０１】以上のフローチャートにより、バイパス空
気流量制御弁４の開度を一時的に小さくし燃料電池スタ
ック７へ供給される空気流量を大きくし、燃料電池スタ
ック７内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能
となるとともに、この場合でも、バイパス流路２１にお
ける空気流量を減らし、その分空気供給流路２２におけ
る空気流量を増やし、燃料電池スタック７へ供給される
空気流量を大きくするのであって、圧力制御弁８を流れ
る空気流量はほぼ一定であるため、燃料電池スタック７
内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制
御される。

【０１０２】ここで、バイパス空気流量制御弁４の開度
は所定間隔ごとに一定時間小さくされるため、確実に発
電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能
となる。なお、バイパス空気流量制御弁４の開度は、燃
料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出する
ために必要な空気流量を供給できる開度に設定し、ま
た、開度を小さくする一定時間は、燃料電池スタック７
内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な時間
に設定する。

【０１０３】また、所定間隔は燃料電池スタック７の発
電量が大きいほど、あるいは、燃料電池スタック７に供
給される空気流量が大きいほど、短くすることとしたた
め、発電量が大きく、すなわち燃料電池スタック７にお
ける生成水が多く発生し、燃料電池スタック７内部の空
気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で燃料電
池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出すること
が可能となる。

【０１０４】図９のフローチャートは、燃料電池スタッ
ク７内部の空気流路に溜まる水を排出するための他の方
法を示したものであり、コントロールユニット１４にお
いて、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実
行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１
〜１００ｍｓ程度の値である。

【０１０５】ステップＳ９１では、燃料電池スタック７
へ供給される空気流量が、予め定めた閾値以下か否かを
判定し、閾値以上の場合は処理を終了し、閾値以下の場
合は、ステップＳ９３へ進む。ステップＳ９３では、バ
イパス空気流量制御弁４の開度を一定時間、小さく設定
する。

【０１０６】以上のフローチャートでは、燃料電池スタ
ック７に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め
定めた閾値を下回った場合、すなわち、空気流量が低下
して、生成水を流すことができない程に流速が下がっ
て、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まり、
該空気流路の圧力損失が増加し、ここを流れる空気流量
が低下した場合、バイパス空気流量制御弁４の開度を一
時的に小さくし燃料電池スタック７へ供給される空気流
量を大きくすることにより、燃料電池スタック７内部の
空気流路に溜まる水を適切なタイミングで排出すること
が可能となる。

【０１０７】なお、バイパス空気流量制御弁４の開度
は、燃料電池スタック７内部の空気流量に溜まる水を排
出するために必要な空気流量を供給できる開度に設定
し、また、開度を小さくする一定時間は、燃料電池スタ
ック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要
な時間に設定する。

【０１０８】また、ステップＳ９２で用いる閾値は、燃
料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まり、該空気
流路の圧力損失が増加し、ここを流れる空気流量が低下
した時の値であり、実験的に定めるものとする。

【０１０９】〔第３の実施形態〕次に第３の実施形態に
ついて説明する。第３の実施形態は、請求項１３乃至請
求項１９に記載の発明に対応する燃料電池システムであ
る。その構成は、第１の実施形態と同等であるため、説
明を省略する。

【０１１０】次に作用を説明する。図１０は、第２の実
施形態の作用を示すフローチャートである。図１０のフ
ローチャートは、コントロールユニット１４において、
予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行され
る。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１０
０ｍｓ程度の値である。

【０１１１】ステップＳ１０１では、燃料電池スタック
７へ供給する空気流量の目標値は、アイドル運転時にお
ける所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２の最
低回転数における供給空気流量以上へ増加するか否か判
定し、否の場合、本処理を終了し、増加する場合、ステ
ップＳ１０２へ進む。

【０１１２】ステップＳ１０２では、コンプレッサ２の
回転数を増加する。ステップＳ１０３では、メイン空気
流量制御弁５の開度を全開に設定する。ステップＳ１０
４では、バイパス空気流量制御弁４の開度を全開に設定
する。ステップＳ１０５では、燃料電池スタック７へ供
給される空気流量は、目標値に対し、所定値以上近づい
たか否かを判定し、近づいたと判定されれば、ステップ
Ｓ１０７へ飛び、近づいていないと判定されれば、ステ
ップＳ１０６へ進む。

【０１１３】ステップＳ１０６では、コンプレッサ２の
回転数を増加開始後、所定時間経過したか否か判定し、
経過していない場合、ステップＳ１０５へ戻り、経過し
た場合、ステップＳ１０７へ進む。

【０１１４】ステップＳ１０７では、バイパス空気流量
制御弁４の開度を全閉に設定する。ステップＳ１０８で
は、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタ
ック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよ
う、コンプレッサ２の回転数及びメイン空気流量制御弁
５の開度を変える。

【０１１５】以上のフローチャートにより、図１１のタ
イムチャートに示すように、燃料電池スタック７へ供給
する空気流量を、アイドル運転時における所定流量以下
の微小流量から、コンプレッサ２が供給する空気流量の
最小値以上に急増する場合（図１１（ａ））、コンプレ
ッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空
気流量を増加させる（図１１（ｂ））とともに、コンプ
レッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する
空気流量を増加開始してから所定時間ＴＢＯの間、メイ
ン空気流量制御弁５とバイパス空気流量制御弁４との開
度を共に全開とする（図１１（ｅ）（ｄ））ことによ
り、コンプレッサ２に対する負荷を低減し、空気を流れ
やすくすることにより、コンプレッサ２が供給する空気
流量を短時間で増加可能とし、燃料電池スタック７へ供
給される空気流量（図１１（ｃ））における応答性を向
上させることが可能となる。

【０１１６】ここで仮に、バイパス流路２１およびバイ
パス空気流量制御弁４が無く、メイン空気流量制御弁５
のみで燃料電池スタック７へ供給する空気流量を制御す
ると仮定し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量
を、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量か
ら、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値以上に
急増する場合のタイムチャートを表したのが図１２であ
る。

【０１１７】図１２では、空気流量目標値が図１２
（ａ）に示すように増加し、コンプレッサ２の回転数を
増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加させ
る（図１２（ｂ））が、メイン空気流量制御弁５を全開
（図１２（ｃ））としても、バイパス空気流量制御弁４
が無い分、コンプレッサ２に対する負荷が増加し、空気
が流れにくくなり、コンプレッサ２が供給する空気流量
の増加に時間を要し、燃料電池スタック７へ供給される
空気流量（図１２（ｂ））における応答性は、図１１
（ｃ）と比べ遅くなり、本発明の効果は明らかである。

【０１１８】また、所定時間ＴＢＯは、図１３に示すよ
うに、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値
の変化幅（図１１におけるΔＱ）が大きく、すなわち、
コンプレッサ２が供給する空気流量をより多く増加させ
る場合ほど、長くすることにより、コンプレッサ２に対
する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやす
くし、コンプレッサ２が供給する空気流量の応答性が目
標値に応じて適切に向上される。

【０１１９】さらに、図１３の（ａ）に示すように、燃
料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値の変化幅
ΔＱが小さい場合、すなわち、コンプレッサ２が供給す
る空気流量の増加が小さく、あえてコンプレッサ２に対
する負荷を低減しなくても、応答性が確保できる程度の
所定の変化幅ΔＱよりも小さい場合、所定時間ＴＢＯを
０とすることにより、制御が簡略化される。

【０１２０】また、コンプレッサ２において、空気流量
センサ３を用いて定期的にコンプレッサ２の供給する空
気流量を測定し、初期状態からの供給空気流量の変化量
を検出し（供給空気流量変化検出手段）、該検出値によ
り、コンプレッサ２が供給する空気流量が経時劣化等に
より低下していることが確認され、応答性が低下する恐
れがある場合、図１４に示すように、コンプレッサ２が
供給する空気流量の初期状態からの低下量ΔＤが大きい
程、所定時間ＴＢＯを長くすることにより、コンプレッ
サ２に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより
流れやすくし、コンプレッサ２が供給する空気流量の応
答性が、コンプレッサ２が供給する空気流量に応じて適
切に向上される。

【０１２１】また、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７に示す
ように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が、目
標値に対して小さい所定値以上になった場合、所定時間
経過前でも、バイパス空気流量制御弁の開度を全閉とす
ることにより、コンプレッサ２に対する負荷を増加さ
せ、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加を抑制
し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以
上となることを防止し、制御性を向上する。

【０１２２】ここで、上記所定値を、メイン空気流量制
御弁の開度が全開の時の空気流量に対する、バイパス空
気流量制御弁の開度が全開の時の空気流量の比率に１を
加えた値で、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の
目標値を割った値とすることにより、バイパス空気流量
制御弁の開度を全閉とした時に、燃料電池スタック７へ
供給する空気流量が目標値に略一致することとなり、制
御性が向上する。

【０１２３】さらに、ステップＳ１０５における他の例
として、コンプレッサ２が供給する空気流量の時間に対
する増加率が所定増加率を超えた場合、すなわち、該増
加率が過大となり、燃料電池スタック７へ供給する空気
流量が目標値以上となる恐れがある場合、ステップＳ１
０７へ飛ぶようにしても良く、この場合でも、上述と同
様に、バイパス空気流量制御弁４の開度を全閉とするこ
とにより、コンプレッサ２に対する負荷を増加させ、コ
ンプレッサ２が供給する空気流量の増加を抑制し、燃料
電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となる
ことを防止し、制御性を向上する効果が得られる。

【０１２４】なお、以上説明した構成において、燃料電
池スタック７へ供給する水素は、水素タンク９に貯蔵さ
れたものを用いたが、これに限るものではなく、例え
ば、メタノールやガソリンといった燃料を改質して水素
を発生させても良い。

【０１２５】また、本発明において燃料電池スタック７
へ供給する空気を加湿する場合、アイドル運転時に燃料
電池へ供給される空気量はコンプレッサの最低流量より
も少なくてもよいので、従来の燃料電池システムよりも
水収支を良くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクレーム構成を示す図である。

【図２】第１の実施形態の構成を示す全体システム図で
ある。

【図３】第１の実施形態のコントロールユニット内で行
われる、アイドル運転時の空気流量の制御を表すフロー
チャートである。

【図４】第１の実施形態のバイパス空気流量制御弁全開
時の開口面積及びバイパス流路の断面積の設定方法を示
す図である。

【図５】第１実施形態のコントロールユニット内で行わ
れる、アイドル運転時のコンプレッサ回転数及びバイパ
ス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャー
トである。

【図６】第１実施形態のバイパス空気流量制御弁の開度
の設定方法を表す図である。

【図７】第２実施形態のコントロールユニット内で行わ
れる、バイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表す
フローチャートである。

【図８】第２実施形態のバイパス空気流量制御弁の制御
方法を表す図である。

【図９】第２実施形態のコントロールユニット内で行わ
れる、バイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表す
フローチャートである。

【図１０】第３実施形態のコントロールユニット内で行
われる、アイドル運転時から空気流量を増加させる際の
制御を表すフローチャートである。

【図１１】第３実施形態のアイドル運転時から空気流量
を増加させる際の制御を表すタイムチャート図である。

【図１２】従来技術における、アイドル運転時から空気
流量を増加させる際の制御を表すタイムチャート図であ
る。

【図１３】第３実施形態の制御パラメータを表す図であ
る。

【図１４】第３実施形態の制御パラメータを表す図であ
る。

【符号の説明】

１…フィルタ ２…コンプレッサ ３…空気流量センサ ４…バイパス空気流量制御弁 ５…メイン空気流量制御弁 ６…圧力センサ ７…燃料電池スタック ８…圧力制御弁 ９…水素タンク １０…プレッシャレギュレータ １１…水素流量センサ １２…水素流量制御弁 １３…燃焼器 １４…コントロールユニット ２１…バイパス流路 ２２…空気供給流路 ２３…空気排出流路 ２４…バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部
分より下流の流路 ２５…水素供給流路 ２６…水素排出流路 ２７…燃焼ガス排出流路

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を供給する空気供給手段と、 水素を供給する水素供給手段と、 供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、 前記空気供給手段の作動状態を変更して前記空気供給手
   段が供給する空気流量を制御する第一空気流量制御手段
   と、 前記空気供給手段と前記発電手段との間の空気供給流路
   の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流量を制御
   する第二空気流量制御手段と、 前記発電手段から未使用分の空気を排出する排出流路と
   前記空気供給手段とを直接結ぶバイパス流路と、 該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる
   空気流量を制御する第三空気流量制御手段と、 を備え、 前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場
   合、 第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給
   する空気流量を最小値に設定し、 第三空気流量制御手段の開度を所定開度に設定し、 第二空気流量制御手段の開度を変えて前記発電手段に供
   給する空気流量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２】 前記排出流路と前記バイパス流路との合
   流部分より下流の合流部分下流流路に設けられ、該合流
   部分下流流路の開度を変え、前記発電手段内部の空気流
   路の圧力を制御する空気圧力制御手段を備え、 該空気圧力制御手段により、前記合流部分下流流路の開
   度を略一定に設定することを特徴とする請求項１記載の
   燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記所定流量はアイドル運転時におい
   て、前記発電手段の発電に必要十分な空気流量とするこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記発電手段へ所定流量以下の空気流量
   を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を全開と
   することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 前記発電手段へ所定流量以上の空気流量
   を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を所定開
   度以下とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池
   システム。
6. 【請求項６】 前記第一空気流量制御手段により前記空
   気供給手段が供給する空気流量の最小値が大きいほど、
   前記第三空気流量制御手段の全開時の開口面積及び該バ
   イパス流路内径を大きくすることを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】 前記第一空気流量制御手段は、前記空気
   供給手段が供給する空気流量を、前記空気供給手段が安
   定して供給可能な空気流量の最小値に設定するととも
   に、 該最小値を予め定めた基準値と比較し、 前記最小値が前記基準値より大きければ、第三空気流量
   制御手段の開度をより大きく設定し、 前記最小値が前記基準値より小さければ、第三空気流量
   制御手段の開度をより小さく設定することを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】 前記発電手段へ所定流量以下の空気流量
   を供給する際、第三空気流量制御手段の開度を一時的に
   小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きく
   し、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出する
   水排出制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載
   の燃料電池システム。
9. 【請求項９】 前記水排出制御手段は、第三空気流量制
   御手段の開度を所定間隔ごとに一定時間小さくすること
   を特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 前記水排出制御手段は、前記発電手段
    の発電量が大きいほど前記所定間隔を短くすることを特
    徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
11. 【請求項１１】 前記水排出制御手段は、前記発電手段
    に供給される空気流量が大きいほど前記所定間隔を短く
    することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システ
    ム。
12. 【請求項１２】 前記水排出制御手段は、前記発電手段
    に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め定めた
    閾値を下回った場合、第三空気流量制御手段の開度を一
    時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大
    きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出
    することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システ
    ム。
13. 【請求項１３】 前記発電手段へ供給する空気流量を、
    前記所定流量以下から、前記空気供給手段が供給する空
    気流量の最小値以上に急増する場合、 第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給
    する空気流量を増加させるとともに、前記空気供給手段
    が供給する空気流量を増加開始してから所定時間の間、 第二空気流量制御手段及び第三空気流量制御手段の開度
    を共に全開とし、 前記所定時間経過後、第三空気流量制御手段の開度を全
    閉とし、 第一空気流量制御手段及び第二空気流量制御手段によ
    り、前記発電手段に供給する空気流量を制御することを
    特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
14. 【請求項１４】 前記所定時間は、前記発電手段へ供給
    する空気流量の目標値の変化幅が大きいほど、長くする
    ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
15. 【請求項１５】 前記所定時間は、前記発電手段へ供給
    する空気流量の目標値の変化幅が所定量よりも小さい場
    合、０とすることを特徴とする請求項１４記載の燃料電
    池システム。
16. 【請求項１６】 前記発電手段へ供給する空気流量が、
    目標値に対して小さい所定値以上になった場合、前記所
    定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉
    とすることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池シス
    テム。
17. 【請求項１７】 前記所定値は、第二空気流量制御手段
    の開度が全開の時の空気流量に対する、第三空気流量制
    御手段の開度が全開の時の空気流量の比率に１を加えた
    値で、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値を割っ
    た値とすることを特徴とする請求項１６記載の燃料電池
    システム。
18. 【請求項１８】 前記空気供給手段が供給する空気流量
    の時間に対する増加率が所定増加率を超えた場合、前記
    所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全
    閉とすることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池シ
    ステム。
19. 【請求項１９】 前記空気供給手段が供給する空気流量
    の変化を検出する供給空気流量変化検出手段を備え、 前記供給空気流量変化検出手段により前記空気供給手段
    が供給する空気流量が低下している場合、該低下量が大
    きい程、前記所定時間を長くすることを特徴とする請求
    項１３記載の燃料電池システム。