JP2010114039A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内の乾燥を抑制する。
【解決手段】酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、空気供給流路３２に設けられ、酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサ３１と、燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３と、空気供給流路３２のコンプレッサ３１の下流側から分岐し、燃料電池２をバイパスして空気排出流路３３に接続するバイパス流路３４と、バイパス流路３４に設けられ、空気供給流路３２から空気排出流路３３に合流させる酸化ガスの流量を調整するための調整弁３６と、コンプレッサ３１のモータの回転数を測定する回転数センサＲと、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であり、かつ、回転数センサＲにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいと判定した場合に、調整弁３６を所定期間、所定開度だけ開弁させる制御部６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。

下記特許文献１には、燃料電池システムの酸化ガス配管系において、酸化ガス供給流路から燃料電池に供給される酸化ガスの一部を酸化オフガス排出流路に排出する技術が開示されている。この燃料電池システムでは、酸化ガスの一部を酸化オフガス排出流路に排出することで、酸化オフガス排出流路内の水を掃き出している。
特開２００６−１００１０１号公報

ところで、特許文献１の技術では、酸化オフガス排出流路に排出する酸化ガスの流量を制御する際に、燃料電池の運転状態が変動する状況についてまでは考慮していない。したがって、例えば、応答にタイムラグが生ずるコンプレッサを設けた燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合には、その変動直後に、本来供給されるべき酸化ガスの流量よりも多量の酸化ガスが燃料電池に供給されてしまい、燃料電池内が乾燥してしまうことも考えられる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池内の乾燥を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、前記酸化ガス供給流路の前記コンプレッサの下流側から分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記酸化オフガス排出流路に接続するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記酸化ガス供給流路から前記酸化オフガス排出流路に合流させる前記酸化ガスの流量を調整するための調整弁と、前記コンプレッサのモータの回転数を測定する回転数センサと、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であり、かつ、前記回転数センサにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいと判定した場合に、前記調整弁を所定期間、所定開度だけ開弁させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の水分状態が乾燥状態であり、かつ、コンプレッサのモータの回転数が目標回転数よりも大きい場合には、バイパス流路に設けられた調整弁を所定期間、所定開度だけ開弁させることができ、コンプレッサから燃料電池に供給される酸化ガスの一部を、バイパス流路を介して酸化オフガス排出流路に合流させることができる。これにより、例えば、燃料電池の水分状態が乾燥状態であるときに、燃料電池の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合であっても、燃料電池に供給される酸化ガスの流量を減少させることができる。したがって、例えば、コンプレッサの応答にタイムラグが生ずる場合でも、本来供給されるべき酸化ガスの流量よりも多量の酸化ガスが燃料電池に供給される事態を回避することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記コンプレッサから供給される前記酸化ガスの供給流量を測定する流量センサをさらに備え、前記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差に応じて前記調整弁の前記所定開度を決定することができる。

これにより、例えば、測定供給流量と目標供給流量との差が大きいほど、調整弁の開度を大きくして、燃料電池に供給される酸化ガスの流量を減少させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の出力電流値を測定する電流センサと、前記燃料電池の出力電圧値を測定する電圧センサと、燃料電池の運転状態が最適な運転状態であるときの基準となる前記出力電圧値と前記出力電流値との関係を記憶する記憶部と、をさらに備え、前記制御手段は、前記電流センサにより測定された測定電流値に対応する最適電圧値を前記記憶部から読み出し、読み出した前記最適電圧値と前記電圧センサにより測定された測定電圧値との差が予め定められた閾値よりも大きい場合に、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差と、前記最適電圧値と前記測定電圧値との差とを用いて、前記調整弁の前記所定開度を決定することができる。

これにより、例えば、最適電圧値と測定電圧値との差から判定可能な燃料電池内の乾燥度合いを考慮しながら、測定供給流量と目標供給流量との差に応じて、調整弁の開度を決定することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記酸化オフガス排出流路の前記燃料電池の出口側に設けられ、前記酸化オフガスの湿度を測定する湿度センサをさらに備え、前記制御手段は、前記湿度センサにより測定された測定湿度が予め定められた下限湿度よりも低い場合に、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記コンプレッサから供給される前記酸化ガスの供給流量を測定する流量センサをさらに備え、前記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差と、前記測定湿度とを用いて、前記調整弁の前記所定開度を決定することができる。

これにより、例えば、測定湿度から判定可能な燃料電池内の乾燥度合いを考慮しながら、測定供給流量と目標供給流量との差に応じて、調整弁の開度を決定することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部をさらに備え、前記制御手段は、前記インピーダンス測定部により測定された測定インピーダンスが予め定められた上限インピーダンスよりも高い場合に、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差と、前記測定インピーダンスとを用いて、前記調整弁の前記所定開度を決定することができる。

これにより、例えば、測定インピーダンスから判定可能な燃料電池内の乾燥度合いを考慮しながら、測定供給流量と目標供給流量との差に応じて、調整弁の開度を決定することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記調整弁を開弁した後に、前記測定供給流量から前記目標供給流量を減算した値が、予め定められた値以下に到達したときに、前記調整弁を閉弁させることができる。

これにより、測定供給流量から目標供給流量を減算した値が、燃料電池内の乾燥を抑制できる範囲にまで低下した場合には、調整弁を閉弁させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記酸化ガス供給流路および酸化オフガス排出流路には、前記コンプレッサから吐出された前記酸化ガスを、前記酸化オフガスを用いて加湿する加湿器を設けることができる。

これにより、加湿器を用いて燃料電池内の乾燥度合いを調整することができる。

本発明によれば、燃料電池内の乾燥を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な各実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

各実施形態における燃料電池システムは、燃料電池に酸化ガスを供給するコンプレッサから吐出された酸化ガスの一部を空気供給流路から空気排出流路に合流させるためのバイパス流路を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の水分状態が乾燥状態であり、かつ、コンプレッサのモータの回転数が目標回転数よりも大きいと判定した場合に、バイパス流路に設けた調整弁を所定期間、所定開度だけ開弁させることで、燃料電池内の乾燥を抑制させるものである。以下に、このような特徴を有する各実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。

[第１実施形態]
まず、図１を参照して、第１実施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。図１は、第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６（制御手段）とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電圧を測定する電圧センサＶと、燃料電池２の出力電流を測定する電流センサＡが設けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれる大気中の酸化ガスを圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２（酸化ガス供給流路）と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３（酸化オフガス排出流路）と、コンプレッサ３１から吐出された酸化ガスの一部を、燃料電池２をバイパスさせて空気排出流路３３に合流させるためのバイパス流路３４とを有する。

コンプレッサ３１には、コンプレッサ３１のモータの回転数を測定する回転数センサＲが設けられている。空気供給流路３２のうち、コンプレッサ３１の出口側には、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの流量を測定する流量センサＮが設けられている。空気排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための調圧弁３５が設けられている。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３７が設けられている。

バイパス流路３４は、空気供給流路３２のうちのコンプレッサ３１の下流側から分岐し、燃料電池２をバイパスして空気排出流路３３に接続する流路である。バイパス流路３４には、空気供給流路３２から空気排出流路３３に合流させる酸化ガスの流量を調整する調整弁３６が設けられている。調整弁３６は、制御部６に電気的に接続されており、調整弁３６の開度は、制御部６によって制御される。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２とを有する。水素供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。

電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、二次電池であるバッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、図示しない各種の補機インバータ等とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５４から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。バッテリ５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ５３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５４に供給する。トラクションモータ５４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を測定し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２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３１や水素ポンプ４４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、オーディオ等が含まれる。

制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリ６１（記憶部）と、入出力インターフェースとを有する。メモリ６１には、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサＶ、電流センサＡ、流量センサＮおよび回転数センサＲ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、調圧弁３５、調整弁３６、水素ポンプ４４およびトラクションモータ５４等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの測定結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、後述する調整弁３６の開度制御処理等を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。以下に、制御部６によって行われる調整弁３６の開度制御処理について説明する。

制御部６は、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であり、かつ、回転数センサＲにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいと判定した場合に、調整弁３６を所定開度だけ開弁させる。

燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるか否かは、例えば、以下のようにして判定することができる。まず、制御部６は、電流センサＡにより測定された測定電流値に対応する最適電圧値を、燃料電池の最適Ｉ−Ｖ特性マップから抽出する。続いて、制御部６は、最適Ｉ−Ｖ特性マップから抽出した最適電圧値と電圧センサＶにより測定された測定電圧値との差が予め定められた閾値よりも大きい場合に、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であると判定する。第１実施形態では、上述した最適電圧値と測定電圧値との差を、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして用い、最適電圧値と測定電圧値との差が大きいほど、燃料電池のスタックが乾燥していると判定する。

ここで、燃料電池の最適Ｉ−Ｖ特性マップは、燃料電池の運転状態が最適な運転状態であるときの基準となる出力電圧値と出力電流値との関係を表すテーブルである。最適Ｉ−Ｖ特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

調整弁３６の所定開度は、例えば、以下のようにして決定する。制御部６は、流量センサＮにより測定された測定供給流量とコンプレッサ３１による酸化ガスの目標供給流量との差と、最適電圧値と測定電圧値との差とを用いて、調整弁３６の所定開度を決定する。具体的には、測定供給流量から目標供給流量を減算した値と、最適電圧値から測定電圧値を減算した値との関係から調整弁３６の開度を求めるための弁開度マップを用いて所定開度を決定する。

弁開度マップは、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくなるにしたがって、所定開度が大きくなるように設定されており、この測定供給流量と目標供給流量との差に応じて大きくなる所定開度の増大率は、最適電圧値と測定電圧値との差が小さいほど、低下するように設定されている。

弁開度マップをこのように設定することで、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくても、最適電圧値と測定電圧値との差が小さい場合には、調整弁３６の開度を小さくすることができる。つまり、燃料電池のスタックの乾き度合いが良好状態であるか、良好状態に近い場合には、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくても、乾き度合いに応じて調整弁３６の開度を小さくすることができる。これにより、調整弁３６が過度に開弁してしまう事態を抑制することができる。弁開度マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

制御部６は、決定した開度で調整弁３６を作動させるための開度指示を調整弁３６に送出する。制御部６は、調整弁３６を開弁させた後に、測定供給流量から目標供給流量を減算した値が、予め定められた閾値以下に到達したときに、調整弁３６を閉弁させる。この閾値は、測定供給流量から目標供給流量を減算した値が、燃料電池内の乾燥を抑制できる範囲にまで低下したと判断する際の基準値であり、予め実験等により求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

なお、調整弁３６を閉弁させるタイミングは、これに限定されない。例えば、予め調整弁３６の開度等に応じて開弁の継続時間を定めておき、開弁させてから所定の継続時間が経過したときに、調整弁３６を閉弁させることとしてもよい。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、第１実施形態における調整弁３６の開度制御処理について説明する。この調整弁３６の開度制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部６は、電流センサＡによって測定された測定電流値を用いて、最適Ｉ−Ｖ特性マップから、測定電流値に対応する最適電圧値を抽出することで、最適電圧値を決定する（ステップＳ１０１）。

続いて、制御部６は、決定した最適電圧値から電圧センサＶにより測定された測定電圧値を減算した値が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）には、処理を上述したステップＳ１０１に移行する。

一方、ステップＳ１０２の判定で、減算値が閾値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）に、制御部６は、回転数センサＲにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）には、調整弁３６の開度制御処理を終了する。

一方、ステップＳ１０３の判定で、測定回転数が目標回転数よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）に、制御部６は、流量センサＮにより測定された測定供給流量からコンプレッサ３１による酸化ガスの目標供給流量を減算した値と、最適電圧値から測定電圧値を減算した値とを用いて、調整弁３６の開度を決定する（ステップＳ１０４）。

続いて、制御部６は、決定した開度で作動するように、調整弁３６に開度指示を送出する（ステップＳ１０５）。

続いて、測定供給流量から目標供給流量を減算した値が、予め定められた閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）に、制御部６は、電流センサＡによって測定された測定電流値を用いて、最適Ｉ−Ｖ特性マップから、測定電流値に対応する最適電圧値を抽出することで、最適電圧値を決定し（ステップＳ１０７）、処理を上述したステップＳ１０４に移行する。

一方、ステップＳ１０６の判定で、減算値が予め定められた閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、制御部６は、調整弁３６を閉弁させるために、調整弁３６に対して閉弁指示を送出する（ステップＳ１０８）。

上述してきたように、第１実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であり、かつ、コンプレッサ３１のモータの回転数が目標回転数よりも大きい場合には、バイパス流路３４に設けられた調整弁３６を所定期間、所定開度だけ開弁させることができ、コンプレッサ３１から燃料電池２に供給される酸化ガスの一部を、バイパス流路３４を介して空気排出流路３５に合流させることができる。これにより、例えば、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるときに、燃料電池２の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合であっても、燃料電池２に供給される酸化ガスの流量を減少させることができる。したがって、例えば、コンプレッサ３１の応答にタイムラグが生ずる場合でも、本来供給されるべき酸化ガスの流量よりも多量の酸化ガスが燃料電池２に供給される事態を回避することが可能となる。

[第２実施形態]
本発明の第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして、最適Ｉ−Ｖ特性マップから求まる最適電圧値と測定電圧値との差を用いているが、第２実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして、燃料電池から排出される酸化オフガスの湿度を用いる点で相違する。

図３は、第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。図３に示すように、第２実施形態における燃料電池システムは、空気排出流路３３のうちの燃料電池２の出口側に湿度センサＨがさらに設けられている点で第１実施形態における燃料電池システムの構成と異なる。それ以外の構成については、第１実施形態における燃料電池システムの各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

湿度センサＨは、燃料電池２と調圧弁３５との間における酸化オフガスの湿度を測定する。

第２実施形態における制御部６は、例えば、以下のようにして、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるか否かを判定する。制御部６は、湿度センサＨにより測定された測定湿度が予め定められた下限湿度よりも小さい場合に、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であると判定する。第２実施形態では、測定湿度を、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして用い、この測定湿度が小さいほど、燃料電池のスタックが乾燥していると判定する。

第２実施形態における制御部６は、例えば、以下のようにして、調整弁３６の所定開度を決定する。制御部６は、流量センサＮにより測定された測定供給流量とコンプレッサ３１による酸化ガスの目標供給流量との差と、測定湿度とを用いて、調整弁３６の所定開度を決定する。具体的には、測定供給流量から目標供給流量を減算した値と、測定湿度との関係から調整弁３６の開度を求めるための弁開度マップを用いて所定開度を決定する。

第２実施形態における弁開度マップは、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくなるにしたがって、所定開度が大きくなるように設定されており、この測定供給流量と目標供給流量との差に応じて大きくなる所定開度の増大率は、測定湿度が高いほど、低下するように設定されている。

弁開度マップをこのように設定することで、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくても、測定湿度が高い場合には、調整弁３６の開度を小さくすることができる。つまり、燃料電池のスタックの乾き度合いが良好状態であるか、良好状態に近い場合には、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくても、乾き度合いに応じて調整弁３６の開度を小さくすることができる。これにより、調整弁３６が過度に開弁してしまう事態を抑制することができる。弁開度マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、第２実施形態における調整弁３６の開度制御処理について説明する。この調整弁３６の開度制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部６は、湿度センサＨによって測定された測定湿度が予め定められた下限湿度よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２０１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０１；ＮＯ）には、このステップＳ２０１の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２０１の判定で、測定湿度が下限湿度よりも小さいと判定された場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）に、制御部６は、回転数センサＲにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０２；ＮＯ）には、調整弁３６の開度制御処理を終了する。

一方、ステップＳ２０２の判定で、測定回転数が目標回転数よりも大きいと判定された場合（ステップＳ２０２；ＹＥＳ）に、制御部６は、流量センサＮにより測定された測定供給流量からコンプレッサ３１による酸化ガスの目標供給流量を減算した値と、測定湿度とを用いて、調整弁３６の開度を決定する（ステップＳ２０３）。

続いて、制御部６は、決定した開度で作動するように、調整弁３６に開度指示を送出する（ステップＳ２０４）。

続いて、測定供給流量から目標供給流量を減算した値が、予め定められた閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０５；ＮＯ）には、処理を上述したステップＳ２０３に移行する。

一方、ステップＳ２０５の判定で、減算値が予め定められた閾値以下であると判定された場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）に、制御部６は、調整弁３６を閉弁させるために、調整弁３６に対して閉弁指示を送出する（ステップＳ２０６）。

上述してきたように、第２実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であり、かつ、コンプレッサ３１のモータの回転数が目標回転数よりも大きい場合には、バイパス流路３４に設けられた調整弁３６を所定期間、所定開度だけ開弁させることができ、コンプレッサ３１から燃料電池２に供給される酸化ガスの一部を、バイパス流路３４を介して空気排出流路３５に合流させることができる。これにより、例えば、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるときに、燃料電池２の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合であっても、燃料電池２に供給される酸化ガスの流量を減少させることができる。したがって、例えば、コンプレッサ３１の応答にタイムラグが生ずる場合でも、本来供給されるべき酸化ガスの流量よりも多量の酸化ガスが燃料電池２に供給される事態を回避することが可能となる。

[第３実施形態]
本発明の第３実施形態について説明する。上述した第１実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして、最適Ｉ−Ｖ特性マップから求まる最適電圧値と測定電圧値との差を用いているが、第３実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして、燃料電池のインピーダンスを用いる点で相違する。

図５は、第３実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。図５に示すように、第３実施形態における燃料電池システムは、制御部６にインピーダンス測定部６２がさらに設けられている点で第１実施形態における燃料電池システムの構成と異なる。それ以外の構成については、第１実施形態における燃料電池システムの各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

インピーダンス測定部６２は、例えば、交流インピーダンス法により、燃料電池２の現在のインピーダンスを測定する。なお、インピーダンス測定部６２は、必ずしも制御部６に設ける必要はなく、例えば、燃料電池システム１内に独立して設けることとしてもよい。

第３実施形態における制御部６は、例えば、以下のようにして、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるか否かを判定する。制御部６は、インピーダンス測定部６２により測定された測定インピーダンスが予め定められた上限インピ−ダンスよりも大きい場合に、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であると判定する。第３実施形態では、測定インピ−ダンスを、燃料電池のスタックの乾き度合いを示すファクターとして用い、この測定インピ−ダンスが大きいほど、燃料電池のスタックが乾燥していると判定する。

第３実施形態における制御部６は、例えば、以下のようにして、調整弁３６の所定開度を決定する。制御部６は、流量センサＮにより測定された測定供給流量とコンプレッサ３１による酸化ガスの目標供給流量との差と、測定インピ−ダンスとを用いて、調整弁３６の所定開度を決定する。具体的には、測定供給流量から目標供給流量を減算した値と、測定インピ−ダンスとの関係から調整弁３６の開度を求めるための弁開度マップを用いて所定開度を決定する。

第３実施形態における弁開度マップは、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくなるにしたがって、所定開度が大きくなるように設定されており、この測定供給流量と目標供給流量との差に応じて大きくなる所定開度の増大率は、測定インピ−ダンスが小さいほど、低下するように設定されている。

弁開度マップをこのように設定することで、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくても、測定インピーダンスが小さい場合には、調整弁３６の開度を小さくすることができる。つまり、燃料電池のスタックの乾き度合いが良好状態であるか、良好状態に近い場合には、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくても、乾き度合いに応じて調整弁３６の開度を小さくすることができる。これにより、調整弁３６が過度に開弁してしまう事態を抑制することができる。弁開度マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

次に、図６に示すフローチャートを用いて、第３実施形態における調整弁３６の開度制御処理について説明する。この調整弁３６の開度制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部６は、インピーダンス測定部６２によって測定された測定インピーダンスが予め定められた上限インピーダンスよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３０１；ＮＯ）には、このステップＳ３０１の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ３０１の判定で、測定インピーダンスが上限インピーダンスよりも大きいと判定された場合（ステップＳ３０１；ＹＥＳ）に、制御部６は、回転数センサＲにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３０２；ＮＯ）には、調整弁３６の開度制御処理を終了する。

一方、ステップＳ３０２の判定で、測定回転数が目標回転数よりも大きいと判定された場合（ステップＳ３０２；ＹＥＳ）に、制御部６は、流量センサＮにより測定された測定供給流量からコンプレッサ３１による酸化ガスの目標供給流量を減算した値と、測定インピーダンスとを用いて、調整弁３６の開度を決定する（ステップＳ３０３）。

続いて、制御部６は、決定した開度で作動するように、調整弁３６に開度指示を送出する（ステップＳ３０４）。

続いて、測定供給流量から目標供給流量を減算した値が、予め定められた閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３０５；ＮＯ）には、処理を上述したステップＳ３０３に移行する。

一方、ステップＳ３０５の判定で、減算値が予め定められた閾値以下であると判定された場合（ステップＳ３０５；ＹＥＳ）に、制御部６は、調整弁３６を閉弁させるために、調整弁３６に対して閉弁指示を送出する（ステップＳ３０６）。

上述してきたように、第３実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であり、かつ、コンプレッサ３１のモータの回転数が目標回転数よりも大きい場合には、バイパス流路３４に設けられた調整弁３６を所定期間、所定開度だけ開弁させることができ、コンプレッサ３１から燃料電池２に供給される酸化ガスの一部を、バイパス流路３４を介して空気排出流路３５に合流させることができる。これにより、例えば、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるときに、燃料電池２の運転状態が高負荷状態から低負荷状態に変動した場合であっても、燃料電池２に供給される酸化ガスの流量を減少させることができる。したがって、例えば、コンプレッサ３１の応答にタイムラグが生ずる場合でも、本来供給されるべき酸化ガスの流量よりも多量の酸化ガスが燃料電池２に供給される事態を回避することが可能となる。

なお、上述した各実施形態において、調整弁３６を開弁させる際の条件の一つに、コンプレッサ３１のモータの測定回転数が目標回転数よりも大きいことを含んでいるが、この条件に替えて、コンプレッサ３１のモータへの指示回転数が、前回の指示回転数よりも低いことを含むこととしてもよい。

また、上述した各実施形態において、調整弁３６の開度を決定する際に、燃料電池のスタックの乾き度合いを考慮して開度を決定しているが、燃料電池のスタックの乾き度合いを考慮せずに、コンプレッサ３１の測定供給流量と目標供給流量との差のみに応じて所定開度を決定することとしてもよい。具体的には、測定供給流量と目標供給流量との差が大きくなるほど、調整弁３６の開度が大きくなるように所定開度を決定することとしてもよい。

また、上述した各実施形態における燃料電池システムの空気供給流路３２および空気排出流路３３には、加湿器３７が設けられているが、本願発明は、燃料電池内の乾燥を抑制することができるため、加湿器３７が設けられていない燃料電池システム１にも適用可能である。

また、上述した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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。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することもできる。

第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 第１実施形態における調整弁の開度制御処理を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 第２実施形態における調整弁の開度制御処理を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 第３実施形態における調整弁の開度制御処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…バイパス流路、３５…調圧弁、３６…調整弁、３７…加湿器、６１…メモリ、６２…インピーダンス測定部、Ｖ…電圧センサ、Ａ…電流センサ、Ｎ…流量センサ、Ｒ…回転数センサ、Ｈ…湿度センサ。

Claims (10)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
   前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、
   前記酸化ガス供給流路の前記コンプレッサの下流側から分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記酸化オフガス排出流路に接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記酸化ガス供給流路から前記酸化オフガス排出流路に合流させる前記酸化ガスの流量を調整するための調整弁と、
   前記コンプレッサのモータの回転数を測定する回転数センサと、
   前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であり、かつ、前記回転数センサにより測定された回転数が目標回転数よりも大きいと判定した場合に、前記調整弁を所定期間、所定開度だけ開弁させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記コンプレッサから供給される前記酸化ガスの供給流量を測定する流量センサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差に応じて前記調整弁の前記所定開度を決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. 前記燃料電池の出力電流値を測定する電流センサと、
   前記燃料電池の出力電圧値を測定する電圧センサと、
   燃料電池の運転状態が最適な運転状態であるときの基準となる前記出力電圧値と前記出力電流値との関係を記憶する記憶部と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記電流センサにより測定された測定電流値に対応する最適電圧値を前記記憶部から読み出し、読み出した前記最適電圧値と前記電圧センサにより測定された測定電圧値との差が予め定められた閾値よりも大きい場合に、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差と、前記最適電圧値と前記測定電圧値との差とを用いて、前記調整弁の前記所定開度を決定することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化オフガス排出流路の前記燃料電池の出口側に設けられ、前記酸化オフガスの湿度を測定する湿度センサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記湿度センサにより測定された測定湿度が予め定められた下限湿度よりも低い場合に、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差と、前記測定湿度とを用いて、前記調整弁の前記所定開度を決定することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部をさらに備え、
   前記制御手段は、前記インピーダンス測定部により測定された測定インピーダンスが予め定められた上限インピーダンスよりも高い場合に、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記流量センサにより測定された測定供給流量と前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給流量との差と、前記測定インピーダンスとを用いて、前記調整弁の前記所定開度を決定することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記調整弁を開弁した後に、前記測定供給流量から前記目標供給流量を減算した値が、予め定められた値以下に到達したときに、前記調整弁を閉弁させることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記酸化ガス供給流路および酸化オフガス排出流路には、前記コンプレッサから吐出された前記酸化ガスを、前記酸化オフガスを用いて加湿する加湿器が設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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