JP2011187340A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒中の生成水を除去し、燃料電池の発電を安定させるとともに、燃料電池の小型化が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１１及びカソード流路１２を有する燃料電池スタック１０と、カソード流路１２を経由するように冷媒を循環させるポンプ３１と、循環する冷媒に酸素（空気）を含有させる空気含有装置４２と、空気含有装置４２に酸素を含む空気を供給するコンプレッサ４１と、ポンプ３１及びコンプレッサ４１を制御するＥＣＵ７０と、を備え、ポンプ３１は、酸素を含有する冷媒を、カソード流路１２に供給し、ＥＣＵ７０は、システムの運転状態に基づいてコンプレッサ４１が供給すべき空気の目標流量を算出し、目標流量に基づいてコンプレッサ４１を制御し、空気含有装置４２は、循環する冷媒から、燃料電池スタック１０で生成した生成水を除去する。
【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（移動体）等の電力源として期待される燃料電池スタックは、その内部に、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路（燃料ガス流路）と、酸素（酸化剤ガス）を含有する空気（酸化剤含有ガス）が通流するカソード流路（酸化剤ガス流路）と、を備えている。また、燃料電池スタックは発電に伴って自己発熱し昇温するので、その内部に冷媒が通流する冷媒流路を備えている。

すなわち、燃料電池スタックは、その内部に、アノード流路、カソード流路及び冷媒流路の３系統の流路を備えている。このような流路は、燃料電池スタックを構成する板状を呈するセパレータに渦巻状、櫛状等で独立して形成された溝によって構成される。つまり、セパレータには、アノード流路、カソード流路及び冷媒流路毎、独立した溝を形成する必要があるので、セパレータが厚くなってしまい、その結果、燃料電池スタックが単セルの積層方向において、大型化していた。

そこで、燃料電池スタックにおいて独立した冷媒流路を省略することでセパレータを薄く、そして、燃料電池スタックを小型化すると共に、カソード流路に酸素を含有する冷媒を通流（循環）させる燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
この燃料電池システムでは、多孔質板によって酸素（空気）を冷媒中でバブリングすることで冷媒に酸素を混入させている。

特開２００６−３３１９６８号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、発電に伴ってカソードで生成し、循環する冷媒に含有する生成水（水蒸気）が、冷媒から除去されず、冷媒に蓄積されてしまう。このように冷媒に生成水が蓄積され、冷媒における生成水の含有量が増加すると、冷媒における酸素の輸送能力が低下して、燃料電池スタックの出力が低下すると共に、冷媒の凝固点が上昇して冷媒が凍結しやすくなる。

そこで、本発明は、冷媒中の生成水を除去し、燃料電池の発電を安定させるとともに、燃料電池の小型化が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、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、循環する冷媒に酸化剤ガスを含有させる酸化剤ガス含有手段と、前記酸化剤ガス含有手段に酸化剤ガスを含む酸化剤含有ガスを供給する酸化剤含有ガス供給手段と、前記冷媒循環手段及び前記酸化剤含有ガス供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記冷媒循環手段は、酸化剤ガスを含有する冷媒を、前記酸化剤ガス流路に供給し、前記制御手段は、システムの運転状態に基づいて前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき酸化剤含有ガスの目標流量を算出し、目標流量に基づいて前記酸化剤含有ガス供給手段を制御し、前記酸化剤ガス含有手段は、循環する冷媒から、前記燃料電池で生成した生成水を除去することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、酸化剤ガス流路を、酸化剤ガスを含有する冷媒が通流することになるので、燃料電池は冷媒専用の冷媒流路を備える必要がない。すなわち、燃料電池を構成するセパレータ（流路構成部品）に冷媒流路用の溝を形成する必要がないので、セパレータを薄くでき、燃料電池は厚さ方向において小型化される。

また、酸化剤ガス含有手段が、循環する冷媒から、燃料電池で生成した生成水を除去するので、冷媒における生成水の含有量が増加することはない。これにより、冷媒における酸化剤ガス（酸素）の輸送能力は低下せず、また、冷媒の凝固点は上昇しない。よって、低温環境下においても、冷媒が良好に循環し、酸素がカソード流路に供給されるので、燃料電池の発電が安定する。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス含有手段は、酸化剤含有ガス中の酸化剤ガスを冷媒に向けて透過させると共に、冷媒中の生成水を透過させることで生成水を除去する透過膜を備えることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、透過膜は、酸化剤含有ガス中の酸化剤ガスを冷媒に向けて透過させると共に、冷媒中の生成水を透過させるので、冷媒の濃度を一定に維持することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記冷媒は、フッ素系不活性溶液を主成分とすることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、フッ素系不活性溶液は、一般に電気絶縁性が高いので、燃料電池が液絡しにくくなる。また、フッ素系不活性溶液は熱的安定性が高いので、仮に燃料電池が過昇温したとしても、フッ素系不活性溶液が分解することはない。

さらに、フッ素系不活性溶液は化学的安定性が高いので、Ｏリング等のゴム製部品を侵食することはない。さらにまた、酸素（酸化剤ガス）含有率の高いパーフルオロカーボンを主成分とすれば、冷媒中の酸素含有量が多くなるので、冷媒の流量や、空気（酸化剤含有ガス）の流量及び圧力を下げることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池に要求される発電要求量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき酸化剤含有ガスの第１目標流量を算出し、前記燃料電池から排出された冷媒に含まれ、前記酸化剤ガス含有手段で除去すべき生成水量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき酸化剤含有ガスの第２目標流量を算出し、前記第１目標流量と前記第２目標流量とのうち多い方を、前記目標流量とすることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、発電要求量に基づいて算出された第１目標流量と、除去すべき生成水量に基づいて算出された第２目標流量とのうち、多い方を目標流量とするので、燃料電池に酸化剤ガス不足とならず、また、生成水を好適に除去できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池に要求される目標電流値に基づいて、前記燃料電池に供給すべき目標酸化剤ガス流量を算出し、前記目標酸化剤ガス流量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき前記第１目標流量を算出することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、制御手段は、目標電流値に基づいて算出された目標酸化剤ガス流量から第１目標流量を算出するので、最低限必要な酸化剤ガスを供給することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記冷媒循環手段は、冷媒を循環させるポンプと、前記燃料電池から排出され再び前記燃料電池に向かう冷媒中の酸化剤ガスの濃度を検出する酸化剤ガス濃度センサと、を備え、前記制御手段は、前記ポンプの回転速度と、前記酸化剤ガス濃度センサの検出する酸化剤ガスの濃度と、に基づいて、前記燃料電池に再び向かう酸化剤ガスの流量を算出し、前記目標電流値に基づいて算出された目標酸化剤ガス流量と、前記燃料電池に再び向かう酸化剤ガスの流量と、に基づいて、前記酸化剤ガス含有手段で冷媒に新たに含有させるべき酸化剤ガスの流量を算出し、前記新たに含有させるべき酸化剤ガスの流量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段から前記酸化剤ガス含有装置に向かうべき酸化剤含有ガスの流量を補正することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、目標電流値に基づいて算出された目標酸化剤ガス流量と、燃料電池に再び向かう酸化剤ガスの流量と、に基づいて、酸化剤ガス含有手段で冷媒に新たに含有させるべき酸化剤ガスの流量を算出し、これに基づいて、酸化剤含有ガス供給手段から酸化剤ガス含有装置に向かうべき酸化剤含有ガスの流量を補正することにより、循環する冷媒中の酸化剤ガスの濃度を適性値に維持できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記目標電流値に基づいて、前記燃料電池で生成し前記酸化剤ガス含有手段で除去すべき生成水量を算出し、前記除去すべき生成水量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段で生成水を除去するために必要とされる必要酸化剤含有ガス流量を算出し、前記必要酸化剤含有ガス流量を前記第２目標流量とすることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、制御手段は、目標電流値から除去すべき生成水量を算出し、算出した生成水を除去するために必要とされる必要酸化剤含有ガス流量を算出するので、循環する冷媒の濃度を適正値に維持できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス含有装置で除去された生成水の量を検出する除去生成水量検出手段を備え、前記制御手段は、前記目標電流値に基づいて算出された除去すべき生成水量と、前記除去生成水量検出手段の検出した実際に除去された生成水の量と、に基づいて、生成水の除去不足量を算出し、前記生成水の除去不足量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段から前記酸化剤ガス含有装置に向かうべき酸化剤含有ガスの流量を補正することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、制御手段は、目標電流値に基づいて算出された除去すべき生成水量と、実際に除去された生成水の量と、に基づいて、生成水の除去不足量を算出し、これに基づいて、酸化剤含有ガス供給手段から酸化剤ガス含有装置に向かうべき酸化剤含有ガスの流量を補正するので、酸化剤ガス含有装置で生成水を良好に除去でき、冷媒の濃度を良好に維持できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段を備え、システム停止時において、前記酸化剤含有ガス供給手段が前記酸化剤ガス含有手段への酸化剤含有ガスの供給を停止した後も、前記発電制御手段は前記燃料電池を継続して発電させ、冷媒中の酸化剤ガスの濃度が第１所定濃度以下になった場合、前記発電制御手段は前記燃料電池の発電を停止させることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、システム停止時において、酸化剤含有ガス供給手段が酸化剤ガス含有手段への酸化剤含有ガスの供給を停止した後も、発電制御手段が燃料電池を継続して発電させるので、発電に伴って、冷媒中の酸化剤ガスが消費され、酸化剤ガスの濃度が徐々に下がる。
なお、このように冷媒中の酸化剤ガスを消費する場合、冷媒循環手段が冷媒を循環させ、冷媒全体中の酸化剤ガスを消費しやすくすることが好ましい。

そして、酸化剤ガスの濃度が第１所定濃度（後記する実施形態では第１所定酸素濃度）以下になった場合、発電制御手段が燃料電池の発電を停止させるので、システム停止中における冷媒中の酸化剤ガスの濃度を、第１所定濃度以下にできる。
このようにして、酸化剤ガスの濃度が第１所定濃度以下になるので、システム停止中において、酸化剤ガスが燃料ガス流路側に拡散することは抑制され、燃料電池が劣化しにくくなる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの圧力を制御する圧力制御手段を備え、システム停止時に、冷媒中の酸化剤ガスの濃度を前記第１所定濃度以下にした場合、次回のシステム起動時において、システムを通常に起動させる通常起動時に対して、冷媒中の酸化剤ガスの濃度が第２所定濃度以上になるまで、前記圧力制御手段は、前記酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの圧力を高め、前記酸化剤含有ガス供給手段は、前記酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの流量を増加し、前記冷媒循環手段は、循環する冷媒の流量を増加することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、システム停止時に冷媒中の酸化剤ガスの濃度を第１所定濃度以下にした場合、次回のシステム起動時において、通常起動時に対して、冷媒中の酸化剤ガスの濃度が第２所定濃度以上になるまで、圧力制御手段が酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの圧力を高め、酸化剤含有ガス供給手段が酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの流量を増加し、冷媒循環手段が循環する冷媒の流量を増加させる。

これにより、酸化剤ガス含有手段において、酸化剤含有ガスから冷媒に向かう酸化剤ガスの量が多くなり、循環する冷媒に含まれる酸化剤ガスの濃度を、速やかに第２所定濃度以上に高めることができる。したがって、燃料電池は発電可能な状態に速やかに近づくことができ、その結果として、燃料電池は早期に発電開始できる。

本発明によれば、冷媒中の生成水を除去し、燃料電池の発電を安定させるとともに、燃料電池の小型化が可能な燃料電池システムを提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 （ａ）は空気含有装置の要部を示す図であり、（ｂ）は拡大図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る燃料電池システムの定常運転時における動作を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る第１目標流量算出処理を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る第２目標流量算出処理を示すフローチャートである。 目標流量とコンプレッサの回転速度との関係を示すマップである。 目標空気圧力と背圧弁の開度との関係を示すマップである。 目標流量とポンプの回転速度との関係を示すマップである。 アクセル開度と発電要求量との関係を示すマップである。 発電要求量と目標電流値との関係を示すマップである。 目標酸化剤ガス流量と第１目標流量との関係を示すマップである。 目標酸化剤ガス流量と目標空気圧力との関係を示すマップである。 第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの定常運転時における動作を示すフローチャートである。 空気含有装置において新たに含有すべき酸素流量（目標酸化剤ガス流量−排出冷媒中の酸素流量）と、目標流量の補正値との関係を示すマップである。 生成水の除去不足量（予測生成水量−生成水除去量）と、目標流量の補正値との関係を示すマップである。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図１４を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０（燃料電池）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）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（酸化剤ガス）を含む冷媒を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御する制御手段である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が積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、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１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（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１１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１２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と後記するモータ５１等の外部負荷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。よって、燃料電池スタック１０が発電すると、水（水蒸気、生成水）がカソードで生成する。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

なお、カソード流路１２には、後記するように、酸素（空気）を含有する冷媒が通流する。すなわち、燃料電池スタック１０は、一般の燃料電池スタックが備える独立した３系統の流路（燃料ガス用の流路、酸化剤ガス用の流路、冷媒用の流路）のうち、冷媒用の流路を備えず、カソード流路１２を酸化剤ガス用の流路及び冷媒用の流路として兼用している。これにより、各流路となる溝が形成されるセパレータを薄くでき、その結果、単セルの積層方向において燃料電池スタック１０がコンパクトになる。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、レギュレータ２３（減圧弁）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、配管２３ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０の指令に従って、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が、配管２１ａ等を通って、アノード流路１１に供給されるようになっている。

レギュレータ２３は、例えば本願出願人による特開２００５−１８３３５７号公報に記載されるように、上流端が配管４１ａに接続された細い配管２３ｂを通って入力される空気の圧力を、パイロット圧（信号圧）として開／閉を繰り返し、その二次側圧力（アノード流路１１の圧力）と、カソード流路１２の圧力とをバランスさせ、燃料電池スタック１０を構成する各ＭＥＡ（電解質膜）の破れ等を防止するものである。

アノード流路１１の出口は、配管２３ｃを介して、後記する希釈器４４に接続されている。そして、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素を含むアノードオフガスは、配管２３ｃを通って、希釈器４４に排出されるようになっている。

＜カソード系−冷媒循環関係＞
カソード系は、ポンプ３１と、ラジエータ３２（放熱器）と、酸素濃度センサ３３（酸化剤ガス濃度センサ）と、を備えており、カソード流路１２を経由するように冷媒を循環させる機能を備えている。

循環する冷媒は、後記する空気含有装置４２で混入・含有される酸素を輸送（運搬）する特性を有しており、例えばフッ素系不活性溶液、具体的にはパーフルオロカーボンを主成分とする溶液である。

酸素含有率の高いパーフルオロカーボンを主成分とすることで、冷媒の流量や、空気の流量及び圧力を下げることができるので、ポンプ３１、コンプレッサ４１、背圧弁４３の作動頻度を少なくでき、ポンプ３１等を長寿命化できる。

ポンプ３１の吐出口は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。カソード流路１２の出口は、配管３１ｂ、後記する空気含有装置４２、配管３２ａ、ラジエータ３２、配管３２ｂを介して、ポンプ３１の吸入口に接続されている。なお、ポンプ３１等内、配管３１ａ等内は、冷媒で満たされている。

そして、ＥＣＵ７０の指令に従ってポンプ３１が作動すると、冷媒が、カソード流路１２、空気含有装置４２、ラジエータ３２を経由するように循環し、燃料電池スタック１０が適宜に冷却され、過昇温しないようになっている。

また、後記するように空気含有装置４２から冷媒に混入・含有された酸素（空気）は、循環する冷媒によって輸送され、空気含有装置４２から配管３２ａ等を通って、カソード流路１２に向かうようになっている。

さらに、燃料電池スタック１０の発電に伴ってカソードで生成した生成水（水蒸気等）は、循環する冷媒によって輸送され、カソード流路１２から配管３１ｂを通って空気含有装置４２に向かい、後記するように空気含有装置４２によって、冷媒から除去されるようになっている。

酸素濃度センサ３３は、酸素の濃度を検出するセンサであり、配管３１ｂに取り付けられている。そして、酸素濃度センサ３３は、循環する冷媒中の酸素濃度、詳細にはカソード流路１２から排出され、発電で消費されず、再びカソード流路１２に向かう酸素の濃度を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
なお、冷媒循環手段は、ポンプ３１と、ラジエータ３２（放熱器）と、酸素濃度センサ３３（酸化剤ガス濃度センサ）と、配管３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂとから構成される。

＜カソード系−空気給排関係＞
また、カソード系は、コンプレッサ４１（酸化剤含有ガス供給手段、過給器）と、空気含有装置４２（酸化剤ガス含有手段）と、背圧弁４３（圧力制御手段）と、希釈器４４と、流量センサ４５と、湿度センサ４６と、温度センサ４７と、圧力センサ４８とを備えている。
コンプレッサ４１は、配管４１ａを介して、空気含有装置４２の空気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、車外から酸素（酸化剤ガス）を含む空気（酸化剤含有ガス）を吸気し、空気含有装置４２に供給するようになっている。

＜カソード系−空気含有装置＞
空気含有装置４２は、酸素を含む空気の一部を循環する冷媒に混入・含有させると共に、冷媒に含まれる生成水（水蒸気等）を除去する装置である。
具体的には、空気含有装置４２は、複数本（例えば１０〜１００００本）の中空糸膜４２ａ（透過膜）が束ねられてなる中空糸膜束を備えており、第１実施形態では、図２（ａ）に示すように、酸素を含む空気が中空糸膜４２ａ内を通流し、生成水を含む冷媒が中空糸膜４２ａ外を通流するように構成されている。ここで、空気の通流向きと、冷媒の通流向きとは、対向するように構成されている。

中空糸膜４２ａは、例えば、ポリイミド等から形成された中空状を呈しており、図２（ｂ）に示すように、その周壁部には、中空糸膜４２ａの内外を連通させる無数の連続孔４２ｂが形成されている。
そして、酸素を含む空気の一部は、中空糸膜４２ａ内から連続孔４２ｂを通って中空糸膜４２ａ外に透過することにより、酸素を含む空気が冷媒に混入し、含有するようになっている。一方、発電に伴って生成し冷媒に含まれる生成水は、中空糸膜４２ａ外から連続孔４２ｂを通って中空糸膜４２ａ内に透過することにより、生成水が冷媒から除去（除湿）されるようになっている。

なお、連続孔４２ｂの大きさ・数や、中空糸膜４２ａの材質は、選択的に透過させる酸素分子、生成水（水分子）の大きさ等に基づいて設計される。
また、このような透過膜の形状は、中空糸型に限定されず、その他に例えば、スパイラル型、平型でもよい。

ここで、中空糸膜４２ａを透過する酸素、生成水の透過速度は、中空糸膜４２ａの内外における酸素濃度勾配、生成水濃度勾配に依存することになる。よって、例えば、燃料電池スタック１０を高出力で発電させるべく、酸素を多量に供給する必要がある場合、中空糸膜４２ａ内を通流する酸素（空気）の流量、圧力を高めればよい。また、冷媒中の生成水を速やかに除去する場合、中空糸膜４２ａ内の水蒸気濃度（水蒸気分圧）を下げるため、空気の流量を増加すればよい。

空気含有装置４２の空気出口は、配管４３ａ、背圧弁４３、配管４３ｂを介して、希釈器４４に接続されている。そして、前記生成水を含む空気（これを空気オフガスと称する）は、配管４３ａ等を通って、希釈器４４に排出されるようになっている。

このように中空糸膜４２ａを備える空気含有装置４２は、冷媒に酸素（空気）を含有させる機能と、冷媒から生成水を除去する機能との２つの機能を備えている。したがって、機能毎に機器を備える場合と比較して、燃料電池システム１の部品点数は少なくなり、安価で構成され、そして、軽量かつ小型化される。

背圧弁４３は、例えばバタフライ弁から構成され、その開度がＥＣＵ７０によって制御されることで、空気含有装置４２を通流する空気の圧力を制御するものである。

希釈器４４は、配管２３ｃからのアノードオフガスと、配管４３ｂからの空気オフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、空気オフ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。そして、希釈後のガスは、配管４４ａを通って車外に排出されるようになっている。

流量センサ４５は、コンプレッサ４１の吸気側に取り付けられている。そして、流量センサ４５は、コンプレッサ４１に吸気される空気の質量流量（ｇ／ｓｅｃ）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

湿度センサ４６は、配管４３ａに取り付けられている。そして、湿度センサ４６は、配管４３ａを通流する空気オフガスの相対湿度を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

温度センサ４７は、配管４３ａに取り付けられている。そして、温度センサ４７は、配管４３ａを通流する空気オフガスの温度を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

圧力センサ４８は、配管４３ａに取り付けられている。そして、圧力センサ４８は、配管４３ａを通流する空気オフガスの圧力を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池車を走行させるモータ５１（負荷）と、電力制御器５２と、出力検出器５３とを備えている。そして、モータ５１は、電力制御器５２（発電制御手段）、出力検出器５３を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に電気的に接続されている。

モータ５１は、燃料電池車を走行させるためのモータである。
電力制御器５２は、ＥＣＵ７０の指令に従って、燃料電池スタック１０の出力（電流値、電圧値）を、０を含めて制御するものであり、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等の電子回路を備えている。
なお、モータ５１と電力制御器５２との間には、ＥＣＵ７０の指令に従って、電力制御器５２からの直流電力を、三相交流電力に変換し、モータ５１に出力する図示しないＰＤＵ（Power Drive Unit）が設けられている。

出力検出器５３は、燃料電池スタック１０の現在の電流値及び電圧値を検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えている。そして、出力検出器５３は、現在の電流値及び電圧値をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜その他機器＞
図１中の符号６１は、アクセルである。このアクセル６１は、運転者が燃料電池車を走行させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル６１は、アクセル開度をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

図１中の符号６２は、ＩＧである。このＩＧ６２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、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ６２は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号を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、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
なお、ＥＣＵ７０による具体的な制御処理は燃料電池システム１の動作と共に説明する。

≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システム１（燃料電池車）の動作・効果について説明する。

＜起動時＞
まず、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動時について、図３を参照して説明する。
なお、ＩＧ６２がＯＮされると、図３の処理がスタートする。また、システム停止時において、後記するように、冷媒中の酸素を消費し、酸素を除去しているので、冷媒中の酸素濃度は下がっている。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、ポンプ３１及びコンプレッサ４１を起動させる。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、後記する通常モード時（Ｓ１０５、通常起動時）の空気含有装置４２を通流する空気の流量、圧力に対して、空気の流量、圧力が増加（増量、増圧）するように、コンプレッサ４１の回転速度を若干高くし、背圧弁４３の開度を若干小さくする（増量・増圧モード）。
これにより、空気含有装置４２において、中空糸膜４２ａを透過して空気から冷媒に向かう酸素（空気）の量が増加し、カソード流路１２に向かう酸素の量も増加する。その結果、後記するステップＳ１０６における水素供給開始までの時間が短くなる。
なお、コンプレッサ４１の回転速度を高める程度や、背圧弁４３の開度を小さくする程度は、例えば、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ７０に設定される。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、後記する通常モード時（Ｓ１０５、通常起動時）のカソード流路１２及び空気含有装置４２を循環する冷媒の流量に対して、循環する冷媒の流量が増加（増量）するように、ポンプ３１の回転速度を若干高くする（増量モード）。
これにより、酸素濃度の低い冷媒が、次々に空気含有装置４２に供給されることになり、空気含有装置４２において、酸素（空気）が冷媒に含有されやすくなると共に、冷媒に含有されカソード流路１２に向かう酸素（空気）の流量が増加し、その結果、後記するステップＳ１０６における水素供給開始までの時間が短くなる。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、酸素濃度センサ３３を介して検出される冷媒中の現在の酸素濃度が、第２所定酸素濃度以上であるか否か判定する。第２所定酸素濃度は、事前試験等により求められ、循環する冷媒中の酸素濃度が好適に上昇し、この後、燃料電池スタック１０への水素供給を開始可能な濃度に設定される。

現在の酸素濃度は第２所定酸素濃度以上であると判定した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０５に進む。一方、現在の酸素濃度は第２所定酸素濃度以上でないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４の判定を繰り返す。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、ポンプ３１、コンプレッサ４１及び背圧弁４３を通常に制御し、空気及び冷媒を通常に供給、循環させる（通常モード）。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を開き、アノード流路１１への水素供給を開始する。ここで、レギュレータ２３は、配管２３ｂを通って入力されるパイロット圧に従って、その二次側圧力（アノード流路１１の圧力）を制御する。
そして、このように水素が供給されると、燃料電池スタック１０のＯＣＶが上昇し始める。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、出力検出器５３を介して検出される現在のＯＣＶが、所定ＯＣＶ以上であるか否か判定する。所定ＯＣＶは、事前試験等により求められ、燃料電池スタック１０を発電開始可能な電圧に設定される。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、電力制御器５２を制御して、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、図４の定常運転時の制御フローに移行する。

＜定常運転時−動作＞
次に、燃料電池システム１（燃料電池車）の定常運転時の動作について、図４〜図１３を参照して説明する。

ステップＳ３００において、ＥＣＵ７０は、アクセル６１から入力されるアクセル開度に基づいて、第１目標流量を算出する。具体的内容は、後で説明する。

ステップＳ４００において、ＥＣＵ７０は、空気含有装置４２において冷媒から除去すべき生成水量に基づいて、第２目標流量を算出する。具体的内容は、後で説明する。

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、第２目標流量が第１目標流量以上であるか否か判定する。
第２目標流量は第１目標流量以上であると判定した場合（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０２に進む。一方、第２目標流量は第１目標流量以上でないと判定した場合（Ｓ２０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ４１から空気含有装置４２に供給する空気の目標流量を、第２目標流量に設定する。

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ４１から空気含有装置４２に供給する空気の目標流量を、第１目標流量に設定する。

ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、目標流量（第１目標流量又は第２目標流量）と、図７のマップとに基づいて、コンプレッサ４１の回転速度を算出する。
なお、図７のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図７に示すように、目標流量が増加すると、コンプレッサ４１の回転速度が高くなる関係となっている。

ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、空気含有装置４２を通流する空気の目標空気圧力と、図８のマップとに基づいて、背圧弁４３の開度を算出する。ここで、目標空気圧力は、後記する図５のステップＳ３０４で算出されている。
なお、図８のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図８に示すように、目標空気圧力が高くなると、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Ｓ２０６において、ＥＣＵ７０は、目標流量（第１目標流量又は第２目標流量）と、図９のマップとに基づいて、ポンプ３１の回転速度を算出する。
なお、図９のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図９に示すように、目標流量が増加すると、ポンプ３１の回転速度が高くなる関係となっている。

ステップＳ２０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０４で算出した回転速度、ステップＳ２０５で算出した開度、ステップＳ２０６で算出した回転速度に従って、コンプレッサ４１、背圧弁４３、ポンプ３１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。

＜第１目標流量算出処理、Ｓ３００＞
次に、第１目標流量算出処理の内容について、図５を参照して説明する。
ステップＳ３０１において、ＥＣＵ７０は、電力制御器５２に出力する燃料電池スタック１０の目標電流値を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、アクセル６１から入力されるアクセル開度と、図１０のマップとに基づいて、モータ５１（負荷）が燃料電池スタック１０に要求する発電要求量（負荷要求量）を算出する。
なお、図１０のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図１０に示すように、アクセル開度が大きくなると、発電要求量が大きくなる関係となっている。

そして、ＥＣＵ７０は、算出された発電要求量と、図１１のマップとに基づいて、目標電流値を算出する。
なお、図１１のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図１１に示すように、発電要求量が大きくなると、目標電流値が大きくなる関係となっている。

ステップＳ３０２において、ＥＣＵ７０は、算出された目標電流値と、式（３）とに基づいて、燃料電池スタック１０で酸素不足とならないように、カソード流路１２に供給すべき目標酸化剤ガス流量（目標酸素流量）を算出する。
なお、式（３）において、０．００３５はファラデーの法則によって導かれたものであって、電流量１Ａ当たりの単位酸素量である。セル数は、燃料電池スタック１０を構成する単セルの数である。

ステップＳ３０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３０２で算出された目標酸化剤ガス流量（目標酸素流量）と、図１２のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０で酸素不足とならないようにコンプレッサ４１から空気含有装置４２に供給する空気の第１目標流量を算出する。
なお、図１２のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図１２に示すように、目標酸化剤ガス流量（目標酸素流量）が増加すると、第１目標流量が増加する関係となっている。

ステップＳ３０４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３０２で算出された目標酸化剤ガス流量（目標酸素流量）と、図１３のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０で酸素不足とならないように空気含有装置４２を通流する空気の目標空気圧力を算出する。
なお、図１３のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、図１３に示すように、目標酸素流量が増加すると、目標空気圧力が高くなる関係となっている。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドを通って、図４のステップＳ４００に進む。

＜第２目標流量算出処理、Ｓ４００＞
次に、第２目標流量算出処理の内容について、図６を参照して説明する。
ステップＳ４０１において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３０１で算出した目標電流値に基づいて燃料電池スタック１０を発電させた場合において、燃料電池スタック１０で生成すると予測される生成水量（予測生成水量、ｍｏｌ／ｍ）を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３０１で算出した目標電流値と、式（４）とに基づいて、予測生成水量を算出する。
なお、式（４）において、「３．１２×１０^−４」は、予測生成水量の単位変換するための係数である。

ステップＳ４０２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３０１で算出した目標電流値に基づいて燃料電池スタック１０を発電させた場合において、燃料電池スタック１０で生成し、循環する冷媒に混入する生成水（水蒸気）を、空気含有装置４２で冷媒から除去するために必要とされる空気の流量（必要除湿空気流量という）を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４０１で算出した予測生成水量と、式（５）とに基づいて、必要除湿空気流量を算出する。
なお、式（５）における排出ガス全圧力（目標圧力値）は、図５のステップＳ３０４で算出されたものである。

ここで、式（５）における水蒸気分圧Ｐｗは、式（６）で算出される。
なお、式（６）は、「ＴｅＴｅｎｓの式」から導かれる式であり、相対湿度ＲＨ（％）には、各種運転条件に基づく事前試験等より得られた値が入力され、空気含有装置４２を通流する空気温度ｔ（℃）には、各種運転条件に基づく事前試験等より得られた値が入力される。なお、これら事前試験等より得られた値は、予めＥＣＵ７０に記憶される。

そして、第１実施形態では、ＥＣＵ７０は、このようにして算出された必要除湿空気流量を、コンプレッサ４１から空気含有装置４２に供給する空気の第２目標流量とする。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドを通って、図４のステップＳ２０１に進む。

＜定常運転時−効果＞
次に、このような定常運転時の制御処理による効果を説明する。
燃料電池スタック１０で酸素不足とならないように第１目標流量を算出し（Ｓ３００）、予測される生成水が良好に除去されるように第２目標流量を算出し（Ｓ４００）、第１目標流量と第２目標流量とのうち、大きい方を採用して目標流量として（Ｓ２０１〜Ｓ２０３）、コンプレッサ４１を制御するので、燃料電池スタック１０で酸素不足とならず、また、発電に伴って生成する生成水を空気含有装置４２で良好に除去できる。

すなわち、酸素不足とならないように空気を供給するので、アクセル開度に対応して燃料電池スタック１０を発電させることができ、燃料電池車のドライブフィーリングが向上する。

また、発電に伴う生成水が良好に冷媒から除去されるように空気を供給するので、冷媒中の生成水の増加に伴う凝固点の上昇による冷媒の凍結を防止できる。その結果、低温環境下でも冷媒が循環可能となり、低温環境下でも燃料電池システム１（燃料電池車）は起動可能となる。

＜停止時＞
次に、燃料電池システム１（燃料電池車）の停止時について、図１４を参照して説明する。
なお、ＩＧ６２がＯＦＦされると、図１４の処理がスタートする。

ステップＳ５０１において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ４１を停止させる。これにより、空気含有装置４２への空気供給は停止され、空気含有装置４２における冷媒への酸素（空気）の含有は停止される。
なお、ポンプ３１は作動したままであり、冷媒は循環している。

ステップＳ５０２において、ＥＣＵ７０は、電力制御器５２（発電制御手段）によって、燃料電池スタック１０の発電を継続させ、循環する冷媒に残存する酸素を消費し、冷媒から酸素を除去する。
この場合において、燃料電池スタック１０の電力は、ポンプ３１で消費されたり、その他、高圧のバッテリ等の外部負荷に充電（給電）される。

ステップＳ５０３において、ＥＣＵ７０は、酸素濃度センサ３３を介して検出される現在の酸素濃度が、第１所定酸素濃度以下であるか否か判定する。第１所定酸素濃度は、事前試験等により求められ、冷媒中の酸素濃度が好適に低下し、システム停止中、アノードへの酸素拡散が抑制され、燃料電池スタック１０が劣化しないと判断される濃度に設定される。

現在の酸素濃度は第１所定酸素濃度以下であると判定した場合（Ｓ５０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ５０４に進む。一方、現在の酸素濃度は第１所定酸素濃度以下でないと判定した場合（Ｓ５０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０は、ステップＳ５０３の判定を繰り返す。

ステップＳ５０４において、ＥＣＵ７０は、電力制御器５２を制御し、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。これにより、燃料電池スタック１０が無駄に発電することはない。

ステップＳ５０５において、ＥＣＵ７０は、ポンプ３１を停止させる。これにより、ポンプ３１によって無駄に電力消費されることはない。

ステップＳ５０６において、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じ、燃料電池スタック１０への水素供給を停止させる。これにより、その後にレギュレータ２３等の遮断弁２２の下流のデバイスに高圧の水素が作用することはなく、前記デバイスが破損等にしにくくなる。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドに進み、燃料電池システム１（燃料電池車）は、停止状態となる。
この場合において、冷媒中の酸素濃度は良好に低下しており、また、水素供給も停止されているので、システム停止中において、燃料電池スタック１０で高いＯＣＶが発生することはない。

また、カソード流路１２は、冷媒で満たされており、車外（外部）と連通していないので、車外の酸素はカソード流路１２に流入（拡散）しにくい。すなわち、システム停止中において、車外の酸素は燃料電池スタック１０に供給されにくく、新たな酸素の流入によって燃料電池スタック１０が劣化することもない。つまり、システム停止中において、カソード流路１２と車外（外部）とを遮断し、カソード流路１２を封止する封止弁を備える必要がないので部品点数が少なくなり、燃料電池システム１を安価で構成できる。

以上、本発明の第１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、後記する実施形態と適宜組み合わせたり、次のように変更できる。

前記した第１実施形態では、複数の単セルが積層された燃料電池スタック１０を例示したが、その他に例えば、複数の単セルが面方向に配列された燃料電池モジュールでもよいし、１つの単セルから構成される燃料電池でもよい。

前記した第１実施形態では、中空糸膜４２ａを備える空気含有装置４２を例示したが、これに代えて、酸素（空気）を冷媒中でバブリングすることで冷媒に含有・混入させる装置と、生成水を透過させる透過膜を備え生成水を除去する除去装置とで、酸化剤ガス含有手段を構成してもよい。

前記した第１実施形態に係るコンプレッサ４１に代えて、酸素が封入された酸素タンクと、酸素タンクからの酸素流量を制御する流量制御弁とを備え、これらを酸化剤含有ガス供給手段としてもよい。なお、この場合、酸素タンクから供給される酸素が酸化剤含有ガスとなる。

前記した実施形態では、システム停止時に、毎回、燃料電池スタック１０の発電を継続することで（図１４、Ｓ５０２）、酸素濃度を第１所定酸素濃度以下に低下し（図１４、Ｓ５０３）、次回のシステム起動時に、毎回、酸素濃度が第２所定酸素濃度以上になるまで（図３、Ｓ１０４）、空気の流量・圧力を増加させ（図３、Ｓ１０２）、冷媒の流量を増加させる構成を例示したが、その他に、システム停止時間が長くなる場合、例えば、ＩＧ６２のＯＦＦ後、所定時間（例えば１０〜３０分）経過した場合、酸素濃度を第１所定酸素濃度以下に低下させる構成としてもよい。

このような構成すれば、人待ち等によって短時間（例えば５分）ＩＧ６２をＯＦＦした場合にまで、酸素濃度を低下させることはない。
そして、システム停止時に酸素濃度を第１所定酸素濃度以下に低下させた場合、これをフラグ等によって一時的に記憶しておき、次回のシステム起動時、前記フラグを参照して、前回システム停止時に酸素濃度を低下させたと判定した場合、図２のステップＳ１０１からの処理を順に実行する構成にすればよい。
逆に、前回システム停止時に酸素濃度を低下させていないと判定した場合、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１０４の処理は実行せず、ステップＳ１０１の後、ステップＳ１０５の処理を実行し、システムを通常に起動する構成にすればよい。

前記した第１実施形態では、燃料電池システム１が四輪や二輪の燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、定置型の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図１５〜図１７を参照して説明する。
なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１では、ＥＣＵ７０に設定されたプログラムが一部異なり、定常運転時において、図４に示すステップＳ２０７後、図１５に示すステップＳ６０１に進み、図１５のステップＳ６０１〜Ｓ６０８の処理を、追加して実行する点が異なる。以下、異なる部分を説明する。

ステップＳ６０１において、ＥＣＵ７０は、カソード流路１２から排出され、再びカソード流路１２に向かう酸素の流量を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ポンプ３１の回転速度から冷媒の流量を算出し、算出した冷媒の流量と酸素濃度センサ３３の検出結果とから冷媒中の酸素の流量、すなわち、再びカソード流路１２に向かう酸素の流量を算出する。

ステップＳ６０２において、ＥＣＵ７０は、空気含有装置４２において、循環する冷媒に新たに混入・含有させるべき酸素の流量を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３０２で算出したカソード流路１２に供給するべき酸素の目標酸素流量からステップＳ６０１で算出した再びカソードに向かう酸素の流量を減算して、新たに混入・含有させるべき酸素の流量を算出する。
なお、走行中の冷媒中の酸素濃度は、急加速等の急激な速度変化に対応するために、現状の走行状態で必要とされる酸素濃度より濃い状態に保つことが望ましいので、新たに混入・含有させるべき酸素の流量に若干のマージンを加算する。

ステップＳ６０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６０２で算出した新たに混入・含有させるべき酸素の流量と図１６のマップとに基づいて、目標流量（空気含有装置４２に供給すべき空気の流量）の補正値を算出する。
なお、図１６のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

具体的には、図１６に示すように、新たに含有すべき酸素流量が０以上の範囲では、酸素不足とならないように、酸素の流量が増加すると、目標流量の補正値が増加する関係となっている。一方、新たに含有すべき酸素の流量が０未満の範囲では、酸素が足りているので、目標流量の補正値（酸素の流量及び空気の流量の増加量）は共に０となる。
なお、冷媒中への酸素含有量はある濃度以上で飽和するので、飽和値近辺で濃度を維持するのはコンプレッサ４１の効率面では非効率である。そこで、酸素濃度の上限は飽和濃度からある程度低い値で設定し、現在の酸素濃度（流量）が上限値以上の場合には空気流量を減少させる制御をすることが望ましい。

ステップＳ６０４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６０３で算出した目標流量の補正値に従って、コンプレッサ４１の回転速度を補正する。
すなわち、目標流量の補正値が０よりも大きい範囲では、目標流量の補正値が大きくなるほど、コンプレッサ４１の回転速度の増加程度が大きくなる。一方、目標流量の補正値が０である場合、コンプレッサ４１の回転速度は維持される。

このようにカソード流路１２中の酸素の濃度を、目標電流値に基づいて必要とする濃度に維持する制御が行われるので、例えば、急加速によって燃料電池スタック１０の発電量が短期間に増加した場合であっても、酸素欠乏を起こすことが無く、燃料電池スタック１０の劣化を抑制できる。

ステップＳ６０５において、ＥＣＵ７０は、現在、空気含有装置４１で冷媒から除去され、配管４３ａを通流している生成水の量（生成水除去量）を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、流量センサ４５が検出する流量と、湿度センサ４６が検出する湿度と、温度センサ４７が検出する温度と、圧力センサ４８が検出する圧力と、式（（７）〜（８）とに基づいて、空気含有装置４２で現在除去されている生成水の量（生成水除去量）を算出する。
なお、式（７）は、式（５）の「必要除湿空気流量」を「現在の排出ガス流量」に、「予測生成水量」を「生成水除去量」に、それぞれ便宜的に置き換え、「生成水除去量」について整理したものである。また、式（８）は前記した式（６）と同一である。

すなわち、第２実施形態において、空気含有装置４１で除去された生成水の量を検出する除去生成水量検出手段は、流量センサ４５と、湿度センサ４６と、温度センサ４７と、圧力センサ４８と、これらの検出値に基づいて演算するＥＣＵ７０とを備えて構成されている。

ステップＳ６０６において、ＥＣＵ７０は、空気含有装置４１による生成水の除去について、生成水の除去不足量を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４０１で算出した目標電流値で発電させた場合における予測生成水量から、ステップＳ６０５で算出した生成水除去量を減算し、生成水の除去不足量を得る。

ステップＳ６０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６０６で算出した生成水の除去不足量と図１７のマップとに基づいて、目標流量（空気含有装置４２に供給すべき空気の流量）の補正値を算出する。
なお、図１７のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

具体的には、図１７に示すように、生成水の除去不足量（予測生成水量−現在の生成水除去量）が０以上の範囲では、生成水の除去に必要な空気が不足しているので、生成水の除去不足量が増加すると、目標流量の補正値が増加する関係となっている。一方、生成水の除去不足量が０未満の範囲では、生成水の除去に必要な空気が足りているので、目標流量の補正値は０となる。
なお、生成水の除去不足量が０未満の範囲では、目標流量の補正値を負に、つまり、空気の流量を減少させてもよい。この場合、コンプレッサ４１の回転速度を低下させ、無駄な動作を抑制することになるので、コンプレッサ４１による消費電力を抑えることができる。

ステップＳ６０８において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６０７で算出した目標流量の補正値に従って、コンプレッサ４１の回転速度を補正する。
すなわち、目標流量の補正値が０よりも大きい範囲では、目標流量の補正値が大きくなるほど、コンプレッサ４１の回転速度の増加程度が大きくなる。一方、目標流量の補正値が０である場合、コンプレッサ４１の回転速度は維持される。

このように現在の生成水の除去量を考慮したうえで、生成水の除去不足量及び目標流量の補正値を算出し、目標流量を補正するので、空気含有装置４１において冷媒から生成水が良好に除去され、循環する冷媒の濃度を適正値に維持できる。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを通って、図４のスタートに戻る。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ アノード流路（燃料ガス流路）
１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
３１ ポンプ（冷媒循環手段）
３３ 酸素濃度センサ（酸化剤ガス濃度センサ）
４１ コンプレッサ（酸化剤含有ガス供給手段）
４２ 空気含有装置（空気含有手段）
４２ａ 中空糸膜（透過膜）
４４ 背圧弁（圧力制御手段）
４５ 流量センサ
７０ ＥＣＵ（制御手段）

Claims (10)

1. 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記酸化剤ガス流路を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
   循環する冷媒に酸化剤ガスを含有させる酸化剤ガス含有手段と、
   前記酸化剤ガス含有手段に酸化剤ガスを含む酸化剤含有ガスを供給する酸化剤含有ガス供給手段と、
   前記冷媒循環手段及び前記酸化剤含有ガス供給手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記冷媒循環手段は、酸化剤ガスを含有する冷媒を、前記酸化剤ガス流路に供給し、
   前記制御手段は、システムの運転状態に基づいて前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき酸化剤含有ガスの目標流量を算出し、目標流量に基づいて前記酸化剤含有ガス供給手段を制御し、
   前記酸化剤ガス含有手段は、循環する冷媒から、前記燃料電池で生成した生成水を除去する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤ガス含有手段は、酸化剤含有ガス中の酸化剤ガスを冷媒に向けて透過させると共に、冷媒中の生成水を透過させることで生成水を除去する透過膜を備える
   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. 前記冷媒は、フッ素系不活性溶液を主成分とする
   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. 前記制御手段は、
   前記燃料電池に要求される発電要求量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき酸化剤含有ガスの第１目標流量を算出し、
   前記燃料電池から排出された冷媒に含まれ、前記酸化剤ガス含有手段で除去すべき生成水量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき酸化剤含有ガスの第２目標流量を算出し、
   前記第１目標流量と前記第２目標流量とのうち多い方を、前記目標流量とする
   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。
5. 前記制御手段は、
   前記燃料電池に要求される目標電流値に基づいて、前記燃料電池に供給すべき目標酸化剤ガス流量を算出し、
   前記目標酸化剤ガス流量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段が供給すべき前記第１目標流量を算出する
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷媒循環手段は、冷媒を循環させるポンプと、前記燃料電池から排出され再び前記燃料電池に向かう冷媒中の酸化剤ガスの濃度を検出する酸化剤ガス濃度センサと、を備え、
   前記制御手段は、
   前記ポンプの回転速度と、前記酸化剤ガス濃度センサの検出する酸化剤ガスの濃度と、に基づいて、前記燃料電池に再び向かう酸化剤ガスの流量を算出し、
   前記目標電流値に基づいて算出された目標酸化剤ガス流量と、前記燃料電池に再び向かう酸化剤ガスの流量と、に基づいて、前記酸化剤ガス含有手段で冷媒に新たに含有させるべき酸化剤ガスの流量を算出し、
   前記新たに含有させるべき酸化剤ガスの流量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段から前記酸化剤ガス含有装置に向かうべき酸化剤含有ガスの流量を補正する
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、
   前記目標電流値に基づいて、前記燃料電池で生成し前記酸化剤ガス含有手段で除去すべき生成水量を算出し、
   前記除去すべき生成水量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段で生成水を除去するために必要とされる必要酸化剤含有ガス流量を算出し、前記必要酸化剤含有ガス流量を前記第２目標流量とする
   ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記酸化剤ガス含有装置で除去された生成水の量を検出する除去生成水量検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記目標電流値に基づいて算出された除去すべき生成水量と、前記除去生成水量検出手段の検出した実際に除去された生成水の量と、に基づいて、生成水の除去不足量を算出し、
   前記生成水の除去不足量に基づいて、前記酸化剤含有ガス供給手段から前記酸化剤ガス含有装置に向かうべき酸化剤含有ガスの流量を補正する
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段を備え、
   システム停止時において、
   前記酸化剤含有ガス供給手段が前記酸化剤ガス含有手段への酸化剤含有ガスの供給を停止した後も、前記発電制御手段は前記燃料電池を継続して発電させ、
   冷媒中の酸化剤ガスの濃度が第１所定濃度以下になった場合、前記発電制御手段は前記燃料電池の発電を停止させる
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの圧力を制御する圧力制御手段を備え、
    システム停止時に、冷媒中の酸化剤ガスの濃度を前記第１所定濃度以下にした場合、
    次回のシステム起動時において、システムを通常に起動させる通常起動時に対して、冷媒中の酸化剤ガスの濃度が第２所定濃度以上になるまで、
    前記圧力制御手段は、前記酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの圧力を高め、
    前記酸化剤含有ガス供給手段は、前記酸化剤ガス含有手段を通流する酸化剤含有ガスの流量を増加し、
    前記冷媒循環手段は、循環する冷媒の流量を増加する
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

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