JP7115083B2 - 燃料電池システム及び該燃料電池システムを備えた電動車両 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システム及び該燃料電池システムを備えた電動車両に関する。

燃料電池システムでは、燃料ガスである水素ガスが、燃料極に供給されるとともに、酸化剤ガスである空気を空気極に供給して、供給された水素ガスと空気とを電気化学反応させて発電するように構成されている。

そして、燃料極で消費されなかった余剰の水素ガスは、水素循環流路によって、燃料極への水素供給流路に還流されて、供給される水素ガスと混合され、燃料極へ再び供給されるようになっている。また、空気においても空気極で消費されなかった空気は空気循環流路によって空気極への空気供給流路に還流されるようになっている。

例えば、特許文献１には、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、燃料電池を通過した酸化剤ガスを燃料電池の上流へ循環させる酸化剤循環流路と、燃料電池の運転制御及び酸化剤循環流路の循環流量を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムが示され、制御手段は、燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が予め設定された所定電圧以下となるように酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量を制御することが示されている。

また、特許文献２には、燃料電池システムの運転方法が開示され、燃料電池スタックの性能回復制御を開始すると判断された際、含水量調整装置により電解質膜・電極構造体に水分を供給しながら、密封された空気循環路で酸化剤ガスを循環させた状態で、燃料電池スタックの発電電圧を０．３Ｖ以下に維持することが示されている。

特開２００７－１５７５４４号公報 特開２０１６－０３５９１０号公報

しかしながら、いずれの特許文献にも、空気極から排出された空気を空気循環流路によって空気極へ還流されるように循環流路が形成されるシステムが開示されているが、燃料電池スタックの外部に配管を設けて、それによって空気循環流路を形成するものである。従って、配管の設置が必要なため、システム構造の複雑化及び大型化を招く問題がある。

一方、空気コンプレッサから空気極へ供給する酸化剤ガスとしての空気量は、オフガスとして大気放出する未反応酸素量を加味して、過剰量を燃料電池の内部に供給しているため、空気コンプレッサの稼動効率の低下を招き、その結果として燃料電池の発電効率の低下を招く問題がある。

そこで、上記の課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、未反応酸素を燃料電池内部で逆流させて再循環させることによって、未反応酸素を効率よく発電に利用して燃料電池の発電効率を向上させ、しかも簡単な構造で達成させ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。

（１）前述した目的を達成するために発明されたものであり、本発明の少なくとも一つの実施形態は、燃料ガスの水素ガスを燃料極に供給するとともに、酸化剤ガスの空気を空気極に供給して、供給された燃料ガスと空気とを反応させて発電するように構成した燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の空気極に圧縮空気を供給するための空気コンプレッサと、前記空気極の入口側に設けられ圧縮空気の供給を制御する空気入口弁と、前記空気極の出口側に設けられ前記空気極からの空気の排出を制御する空気排出弁と、前記空気極の入口と出口との間の空気流通経路に設けられ前記燃料電池の外部への空気の排出を制御する空気内部循環パージ弁と、前記空気入口弁と前記空気排出弁と前記空気内部循環パージ弁との開閉を制御して前記燃料電池内部に供給された空気を内部循環するように制御する空気内部循環制御部と、を備えたことを特徴とする。

上記構成（１）によれば、空気極の入口と出口との間の空気流通経路に設けられ燃料電池の外部への空気の排出を制御する空気内部循環パージ弁を設け、空気内部循環制御部によって、これら空気入口弁と空気排出弁と空気内部循環パージ弁との開閉を制御して、燃料電池内部に供給された空気を内部循環するように制御するので、未反応酸素を効率よく発電に利用することができる。これによって燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、燃料電池の内部において空気を循環させるので、燃料電池スタックの外部に配管を設けて、それによって空気循環流路を形成する必要がないため、システム構造の簡素化が可能となる。

（２）幾つかの実施形態では、前記空気内部循環制御部は、前記空気排出弁を閉じ、前記空気入口弁を開き、前記空気内部循環パージ弁の開閉を繰り返して、前記燃料電池内部に供給された空気を内部循環することを特徴とする。

上記構成（２）によれば、空気内部循環制御部によって、空気排出弁を閉じ、空気入口弁を開き空気内部循環パージ弁の開閉を繰り返すことで、燃料電池内部に供給された空気の一部は、リターン（逆流）ガスとなって空気内部循環パージ弁に向かって逆流させることができ、それによって燃料電池内部において未反応酸素を効率よく利用して発電を行うことが可能になる。

（３）幾つかの実施形態では、前記空気内部循環制御部は、空気内部循環制御の実行中に前記空気コンプレッサの出力を減少することを特徴とする。

上記構成（３）によれば、空気内部循環制御の実行中に空気コンプレッサの出力が減少される。すなわち、通常発電時における圧縮空気量よりも減少させるので、空気コンプレッサの負荷が低減されて空気コンプレッサの稼働効率を向上できる。

（４）幾つかの実施形態では、前記空気内部循環制御部は、空気内部循環制御の実行中に前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧以下になったとき空気内部循環制御を停止することを特徴とする。

上記構成（４）によれば、燃料電池の出力電圧が所定の電圧以下になった場合には、空気内部循環制御を停止するので、通常発電中に空気内部循環制御が実行されても、空気内部循環制御が停止されて通常発電電圧に戻るため、燃料電池の出力性能には大きな影響は生じない。

（５）幾つかの実施形態では、電動車両は前記燃料電池システムを備え、さらに前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池を備え、前記二次電池の電力によって主に駆動される電動車両であって、前記二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、充電状態）が所定のＳＯＣ以下になったときに前記燃料電池が発電を開始することを特徴とする。

上記構成（５）によれば、二次電池のＳＯＣに基づいて燃料電池の発電が開始される。すなわち、電動車両は、二次電池の充電に特化したレンジエクステンダー用燃料電池を搭載した電動車両である。このような電動車両においては、駆動モータは二次電池出力で駆動されるため、上記した空気内部循環制御部による制御を行っても、電動車両の走行性能には大きく影響せずに、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、前記空気内部循環制御部は、所定の走行出力以下のときに実行されることを特徴とする。

上記構成（６）によれば、燃料電池が発電状態でも、電動車両が所定の走行出力以下であるので、空気内部循環制御部による循環制御を実行しても、電動車両の走行性能に影響なく燃料電池の発電効率を向上させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、前記空気内部循環制御部は、電動車両の走行中に前記燃料電池が発電停止するときに実行されることを特徴とする。

上記構成（７）によれば、燃料電池による発電によって、二次電池が所定のＳＯＣまで充電された後、燃料電池は発電を停止してアイドリング状態となる。このアイドル状態となるときに、空気内部循環制御部による循環制御を実行することで、燃料電池の発電停止条件が成立後、直ちに発電を停止する場合に比べて燃料電池の内部の空気を有効利用することによって発電効率を向上させることができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、空気極の入口と出口との間の空気流通経路に設けられ燃料電池の外部への空気の排出を制御する空気内部循環パージ弁を設け、空気内部循環制御部によって、空気入口弁と空気排出弁と空気内部循環パージ弁との開閉を制御して、燃料電池内部に供給された空気を内部循環するように制御するので、未反応酸素を効率よく発電に利用することができる。これによって燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、燃料電池の内部において空気を循環させるので、燃料電池スタックの外部に配管を設けて、それによって空気循環流路を形成する必要がないため、システム構造の簡素化が可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを備えた電動車両の全体構成図を示す。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料極と空気極との部分の構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料極と空気極との部分の構成図である。 従来技術の燃料極と空気極との部分の構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。 図５のフローチャートにおける「空気内部循環制御」の部分のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの「空気内部循環制御」の制御タイムチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの「空気内部循環制御」の制御タイムチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、実施形態として記載されている、または図面に示されている構成部品の相対的配置等は、本発明の範囲をこれらに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１について、図１を参照して説明する。図１は、燃料電池システム１を備えた電動車両３の全体構成図を示す。

この燃料電池システム１は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）５と、燃料電池５で発生される電力を充電する二次電池（駆動用バッテリ）７と、を備える。また、電動車両３には、この二次電池７の電力によって駆動される駆動モータ９が備えられている。燃料電池５は、主に、二次電池７を充電するために用いられる所謂レンジエクステンダー用の燃料電池として構成されている。

また、図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池５の空気極１１に酸素を供給する空気供給手段１３と、燃料電池５の燃料極１５に水素ガスを供給する水素供給手段１７と、燃料電池５の起動（発電）および停止、さらに、燃料電池５の発電電力の二次電池７への充電、駆動モータ９への電力の供給を総合的に制御する制御装置１９を備えている。

そして、制御装置１９には、二次電池７のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、充電状態）に基づいて燃料電池５の起動（発電）及び停止（アイドリング）を制御する発電制御部２１と、空気極１１に供給された空気を燃料電池５（空気極１１）の内部において循環するように制御する空気内部循環制御部２３とを有している。

燃料電池５は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極１１と燃料極１５とを対設した構造を有する発電セルをセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。また、複数の発電セルの各空気極側の触媒層に酸素である空気が供給され、各燃料極側の触媒層に燃料ガスの水素ガスが供給されるようになっている。そして、燃料極１５に水素ガスを供給するとともに空気極１１に酸素を含む空気を供給することで、水素と酸素とを化学反応させて電極間に発生する起電力として電気エネルギーを取り出す。

図１においては、複数の発電セルの各空気極をまとめて便宜的に空気極１１として示し、複数の発電セルの各燃料極をまとめて便宜的に燃料極１５として示している。そして、燃料電池５には、空気極１１に空気を供給する空気供給通路２５が接続され、燃料極１５には、水素ガスを供給する水素供給通路２７が接続されている。

空気供給通路２５には、上流側に図示しないフィルターを介して外気が導入される空気コンプレッサ２９が設けられている。空気コンプレッサ２９は、制御装置１９によって、回転速度が制御されて、空気極１１へ供給される空気流量が制御される。また、空気極１１への空気の供給を制御する空気入口弁３１が空気供給通路２５に設けられ、制御装置１９によって開閉が制御される。

空気コンプレッサ２９の下流側には空気コンプレッサ２９からの加圧空気を冷却するインタークーラを設けてもよい。以上の空気供給通路２５と、空気コンプレッサ２９と、空気入口弁３１とによって空気供給手段１３が構成されている。

また、水素供給通路２７の上流側には、燃料ガスである水素を高圧状態で貯蔵する図示しない高圧水素タンク及び高圧水素タンクからの水素ガスの圧力を調整する調圧弁が設けられ、調圧された水素ガスの燃料極１５への供給を制御する水素入口弁３３が設けられ、水素入口弁３３が閉じられると燃料極１５への水素ガスの供給が遮断されるとともに、燃料極１５へ供給された水素ガスを燃料極１５の内部に封止するように制御される。

以上の図示しない高圧水素タンク及び調圧弁と、さらに水素供給通路２７と、水素入口弁３３とによって水素供給手段１７が構成されている。

燃料電池５の空気極１１及び燃料極１５に、それぞれ供給された空気及び水素ガスは、それぞれ一部が消費され、未使用の空気及び水素ガスは、空気排出通路３５及び水素排出通路３７を介して外部（大気）に排出されるようになっている。空気排出通路３５には空気排出弁３９が設けられ、水素排出通路３７には水素排出弁４１が設けられ、それぞれは、制御装置１９によって開閉が制御される。

また、水素排出通路３７と水素供給通路２７を接続するように水素再循環通路４３が設けられ、燃料電池５の燃料極出口ガスを燃料極１５の入口側に循環させるようになっている。この水素再循環通路４３は、水素供給通路２７の水素入口弁３３の下流側と、水素排出通路３７の水素排出弁４１の上流側とを連結するように接続されている。

また、この水素再循環通路４３には燃料極出口ガスを水素供給通路２７に戻すように流す水素再循環ポンプ４５が設けられている。このような水素再循環通路４３及び水素再循環ポンプ４５によって、水素を再循環させて燃料の水素ガスを効率よく利用できるようになっている。

また、空気極１１においては、空気極１１の内部の空気を外部に排出可能なように、空気極１１の入口と出口との間の空気流通経路４７に内部パージ通路４９が接続され、その内部パージ通路４９に空気内部循環パージ弁５１が設けられている（図２、３参照）。なお、図４は、空気内部循環パージ弁５１が設けられていない従来技術の空気極１１'の構造を示す。

図２は、空気極１１の入口と出口との間の空気流通経路４７に接続する内部パージ通路４９が空気極１１の入口の直後に設けられている例を示し、図３は、内部パージ通路４９が空気極１１の入口と出口との略中間部に位置して設けられている例を示す。そして、内部パージ通路４９に空気内部循環パージ弁５１が設けられている。この内部パージ通路４９の設置位置については、図２、３の例に限るものではなく、空気極１１の入口と出口との間であればよい。

また、図１に示すように、燃料電池５によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３を介して、二次電池７の所定電圧に変換されて二次電池７に充電されるようになっている。また、二次電池７からの電力、または燃料電池５からの電力（一部の電力）はインバータ５５を介して所定の交流電力に変換されて駆動モータ９に供給されて電動車両３の駆動輪を駆動するようになっている。

次に、制御装置１９について説明する。制御装置１９には、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部、タイマー等が設けられている。そして、信号入力部には、二次電池７の充電状態を検出する充電状態検出手段５７から二次電池７のＳＯＣの信号が入力される。

また、駆動モータ９の出力として車速を検出する車速センサ５９から車速信号、燃料電池５の出力電圧を検出する電圧センサ６１からの信号がそれぞれ入力されている。

制御装置１９の発電制御部２１によって、既に説明したように、二次電池７のＳＯＣに基づいて燃料電池５の発電開始及び発電停止（アイドリング）の制御が実行される。

また、空気内部循環制御部２３によって、空気極１１に供給された空気を燃料電池５（空気極１１）の内部において循環するように、空気入口弁３１と空気排出弁３９と空気内部循環パージ弁５１との開閉を制御する。

図５に、制御装置１９の制御フローチャートを示す。まず、ステップＳ１において、電動車両３の車速を車速センサ５９の検出値から読み込み、充電状態検出手段５７から二次電池７のＳＯＣを読み込む。

ステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだ車速から電動車両３が走行中かを判定し、走行中である場合にステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、ステップＳ１で読み込んだ二次電池７のＳＯＣが、ＦＣ発電停止（アイドリング）ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上かを判定する（図８（Ｇ）のｔ_１）。すなわち、燃料電池５は、二次電池７のＳＯＣが、ＦＣ発電開始ＳＯＣ（ＳＯＣ_１、不図示）以下に低下したときに発電を開始し、二次電池７に充電を行い、その充電に伴ってＳＯＣが上昇して、ＦＣ発電停止（アイドリング）ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上かを判定して、ＳＯＣ_２に達すると二次電池７への充電を停止する。なお、ＳＯＣ_１は図８に図示されていないが、ＳＯＣ_２＞ＳＯＣ_１の関係の所定の閾値である。

従って、ステップＳ３での判定が、ＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上でありＹｅｓの場合には、ステップＳ７に進んでＦＣ発電停止（アイドリング）に移行する。そして、次に、ステップＳ６で空気内部循環制御を実行する。

また、ステップＳ３での判定が、ＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）未満でありＮｏの場合には、ステップＳ４に進んでＦＣ発電を続行する。そして、次に、ステップＳ５では、走行出力（車速）が閾値（Ｈ_１）以下かを判定する。ステップＳ５の判定がＹｅｓの場合には、次に、ステップＳ６で空気内部循環制御を実行する。

以上の一実施形態によれば、空気極１１の入口と出口との間の空気流通経路４７に設けられ燃料電池の外部への空気の排出を制御する空気内部循環パージ弁５１を設け、空気内部循環制御部２３によって、空気入口弁３１と空気排出弁３９と空気内部循環パージ弁５１との開閉を制御して、空気極１１の内部に供給された空気を内部循環するように空気内部循環制御が行われるので、未反応酸素を効率よく発電に利用することができる。これによって燃料電池の発電効率を向上させることができる。

また、空気極１１の内部において空気を循環させるので、燃料電池スタックの外部に配管を設けて、それによって空気循環流路を形成する必要がないため、システム構造の簡素化が可能となる。

また、電動車両３が、二次電池７の充電に特化したレンジエクステンダー用燃料電池を搭載した電動車両であるので、空気内部循環制御部２３による制御を行っても、電動車両３の走行性能には大きく影響せずに、燃料電池５の発電効率を向上させることができる。

また、電動車両３が走行中であって、二次電池７のＳＯＣが、ＦＣ発電開始ＳＯＣ（ＳＯＣ_１）以下に低下して燃料電池５が発電を開始して通常発電状態でも、電動車両３が所定の走行出力以下の場合（車速がＨ_１以下の場合）には、空気内部循環制御部２３による循環制御を行う。空気内部循環制御によって通常発電時より発電電力が低下しても、所定の走行出力以下であるため、走行性能に大きな悪影響が生じない。従って、電動車両３の走行性能に影響を与えないで燃料電池５の発電効率を向上させることができる（図５ステップＳ５、Ｓ６）。

また、燃料電池５の発電によって、二次電池７のＳＯＣがＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上まで充電されて、燃料電池５が発電を停止してアイドリング状態となるときに、空気内部循環制御部２３による循環制御を実行するので、ＦＣ発電停止ＳＯＣの条件が成立後、直ちに発電を停止する場合に比べて燃料電池５の内部の空気を有効利用することによって発電効率を向上させることができる。

次に、図６に一実施形態を示す。この図６に示す一実施形態では、空気内部循環制御部２３の制御を示し、主な制御の流れは、空気排出弁３９を閉じ、空気入口弁３１を開き、空気内部循環パージ弁５１の開閉を繰り返す。これによって、燃料電池５の内部に供給された空気を内部循環させる。

図６において、まず、ステップＳ１１で、空気コンプレッサ２９からの流量を空気内部循環空気量に低下させる。つまり、通常発電時の空気流量よりも低下させる。次に、ステップＳ１２では、空気排出弁３９を閉じる。次にステップＳ１３では、空気入口弁３１を開く。なお、空気入口弁３１が開状態であればその状態を維持する。

次に、ステップＳ１４では、空気内部循環パージ弁５１の開閉作動を繰り返す。繰り返しのインターバルは特に限定するものではなく、空気極１１の内部の空気が空気内部循環パージ弁５１を介して外部へ排出される時間であればよい。例えば１～１０秒間隔で開閉を繰り返す。

次に、ステップＳ１５では、ＦＣ電圧を電圧センサ６１から検出して、所定電圧（Ｖ_１）以下かを判定する。ＦＣ電圧が所定電圧（Ｖ_１）以下であれば、判定結果はＹｅｓとなって空気内部循環制御は終了する。また、ステップＳ１５での判定が所定電圧（Ｖ_１）を超えている場合には、Ｎｏと判定して、ステップＳ１１に戻ってステップＳ１１からの処理を繰り返して空気内部循環制御を継続する。

図２、３に示すように、空気内部循環パージ弁５１が開くと、空気極１１の内部に供給された空気の一部は、図２、３の矢印Ｋで示すようにリターン（逆流）ガスとなって空気内部循環パージ弁５１に向かって逆流させることができる。これによって、供給された空気を内部循環させて未反応酸素を効率よく発電に利用することができる。

なお、前述したように、図２は、空気極１１の入口と出口との間の空気流通経路４７に接続する内部パージ通路４９が空気極１１の入口の直後に設けられている例を示し、図３は、内部パージ通路４９が空気極１１の入口と出口との略中間部に位置して設けられている例を示す。

図２では、空気入口弁３１から供給される新規の空気は、入口直後の空気内部循環パージ弁５１ａから排出されるように流れ、さらに、空気極１１内部の空気は、リターン（逆流）ガスとなって空気内部循環パージ弁５１ａに向かって逆流する。

図３においても、図２の場合と同様に、空気入口弁３１から供給される新規の空気は、空気内部循環パージ弁５１ａから排出されるように流れ、さらに、空気極１１内部の空気は、空気内部循環パージ弁５１ａに向かって逆流する。

なお、空気内部循環パージ弁５１ａ、５１ｂが開のときに、空気入口弁３１を閉じるようにして、空気入口弁３１を空気内部循環パージ弁５１の開閉のタイミングと逆の位相で開閉させてもよい。この場合には、空気入口弁３１が閉じているときに空気内部循環パージ弁５１が開くので、空気入口弁３１からの新規空気が導入とともに空気内部循環パージ弁５１から排出されることはなく、空気極１１の内部の残留空気がリターン（逆流）ガスとなって空気内部循環パージ弁５１に向かうように流れるため、逆流をより確実に発生させることができる。

以上の図６、図２、図３の実施形態によれば、空気排出弁３９を閉じ、空気入口弁３１を開き空気内部循環パージ弁５１の開閉を繰り返すことで、燃料電池５の燃料極１５の内部に供給された空気の一部は、リターン（逆流）ガスとなって空気内部循環パージ弁５１に向かって逆流させることができ、それによって空気極１１内部において未反応酸素を効率よく利用して発電を行うことが可能になる。

また、空気内部循環制御において、空気コンプレッサ２９の出力が通常発電時における圧縮空気量よりも低い空気内部循環空気量に低下させるので、空気コンプレッサ２９の負荷が低減されて空気コンプレッサ２９の稼働効率を向上できる。

また、空気内部循環制御において、燃料電池５の出力電圧が所定電圧（Ｖ_１）以下になったとき、空気内部循環制御は終了する。これによって、通常発電中に空気内部循環制御が実行されたのであれば再度通常発電に戻る。従って、空気内部循環制御を行っても所定の電圧値以下には低下しないように制御される。

次に、図７に一実施形態を示す。この図７の実施形態は、図５のフローチャートのステップＳ５からＳ６に進んで、図６の空気内部循環制御が実行される場合の制御タイムチャートを示すものである。

従って、制御内容は図５のステップＳ５において、走行出力（車速）が閾値（Ｈ_１）以下かを判定する。ステップＳ５の判定がＹｅｓの場合には、次に、ステップＳ６で空気内部循環制御を実行する。

走行出力（車速）が閾値（Ｈ_１）以下になったときにの状態を、図７（Ｇ）の制御タイムチャートに示す。また、空気内部循環制御は、図６に示すステップＳ１１～Ｓ１５を実行する。このときのタイムチャートを図７（Ａ）～（Ｆ）に示す。

図７の制御タイムチャートは、横軸に時間経過を示し、縦軸に次の図７（Ａ）～（Ｇ）のそれぞれを示す。横軸の期間ｔ_０～ｔ_１及びｔ_２以降は燃料電池５の通常発電の状態を示し、期間ｔ_１～ｔ_２は、空気内部循環制御の状態を示す。

図７（Ａ）は、空気排出弁３９の作動状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始されると空気排出弁３９を閉じ、ｔ_２で空気内部循環制御が終了すると、空気排出弁３９を開き通常発電に戻ることが示されている。

図７（Ｂ）は、空気内部循環パージ弁５１の作動状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始されると開閉作動をパルス的に繰り返し、ｔ_２で空気内部循環制御が終了すると、閉じることが示されている。

図７（Ｃ）は、空気コンプレッサ２９の作動状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始されると通常発電空気量から空気内部循環空気量に低減された空気量が供給され、ｔ_２で空気内部循環制御が終了すると、通常発電空気量に戻ることが示されている。

図７（Ｄ）は、ＦＣ内部圧力を示す。すなわち、ｔ_１で空気内部循環制御が開始され、ｔ_２で終了して通常発電に戻る間、空気内部循環パージ弁５１の作動状態に連動して、パルス的にＦＣ内部圧力が変動することが示されている。

図７（Ｅ）は、ＦＣ出力の状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始され、ｔ_２で終了して通常発電に戻る間、通常発電ＦＣ出力から低下していくことが示されている。

図７（Ｆ）は、ＦＣ電圧の状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始され、ｔ_２で空気内部循環停止ＦＣ電圧に低下すると空気内部循環制御が終了して通常発電に戻る。空気内部循環制御の間、通常発電ＦＣ電圧から低下していくことが示されている。

図７（Ｇ）は、電動車両３の走行出力（車速）の状態を示す。ｔ_１で走行出力閾値（車速Ｈ_１）以下に低下して空気内部循環制御が開始されることが示されている。

以上の図７に示した一実施形態によれば、電動車両３が所定の走行出力閾値（車速閾値）（Ｈ_１）以下に低下したとき、空気内部循環制御が開始され、ＦＣ電圧がｔ_２で空気内部循環停止ＦＣ電圧に低下したとき、空気内部循環制御が終了して通常発電に戻る。

従って、電動車両３が所定の走行出力以下の場合（車速がＨ_１以下の場合）には、空気内部循環制御部２３による循環制御を行って通常発電より発電電力が低下しても、走行出力に大きな悪影響が生じないので、電動車両３の走行性能に影響を与えないで燃料電池５の発電効率を向上させることができる。

さらに、空気内部循環停止ＦＣ電圧に低下したとき空気内部循環制御が終了されて通常発電に戻るので、空気内部循環制御を行っても燃料電池の性能は維持されるように制御される。

次に、図８に一実施形態を示す。この図８の実施形態は、図５のフローチャートのステップＳ３、Ｓ７、Ｓ６に進んで、図６の空気内部循環制御が実行される場合の制御タイムチャートを示すものである。

従って、制御内容は図５のステップＳ３において、二次電池７のＳＯＣがＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上であり、ステップＳ７に進んでＦＣ発電停止（アイドリング）に移行する。そして、ステップＳ６で空気内部循環制御を実行する。

二次電池７のＳＯＣがＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上に上昇した状態を図８（Ｇ）の制御タイムチャートに示す。また、空気内部循環制御は、図６に示すステップＳ１１～Ｓ１５を実行する。このときのタイムチャートを図８（Ａ）～（Ｆ）に示す。

図８の制御タイムチャートは、横軸に時間経過を示し、縦軸に次の図８（Ａ）～（Ｇ）のそれぞれを示す。横軸の期間ｔ_０～ｔ_１は、燃料電池５の通常発電の状態を示し、ｔ_１～ｔ_２は、空気内部循環制御の状態を示し、ｔ_２以降は、発電停止状態を示す。

図８（Ａ）は、空気排出弁３９の作動状態を示す。ｔ_１でＦＣ発電停止条件が成立して空気内部循環制御が開始され、そのｔ_１以降は空気排出弁３９が閉状態を維持することが示されている。

図８（Ｂ）は、空気内部循環パージ弁５１の作動状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始されると開閉作動をパルス的に繰り返し、ｔ_２で空気内部循環制御が終了すると、閉じることが示されている。

図８（Ｃ）は、空気コンプレッサ２９に作動状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始されると通常発電空気量から空気内部循環空気量に低減された空気量が供給され、ｔ_２で空気内部循環制御が終了すると、空気コンプレッサ２９は停止することが示されている。

図８（Ｄ）は、ＦＣ内部圧力を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始され、ｔ_２で空気内部循環制御が終了する間、空気内部循環パージ弁５１の作動状態に連動して、パルス的にＦＣ内部圧力が変動することが示されている。

図８（Ｅ）は、ＦＣ出力を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始されｔ_２で終了する間、通常発電ＦＣ出力から低下し、ｔ_２でＦＣ出力はゼロになることが示されている。

図８（Ｆ）は、ＦＣ電圧の状態を示す。ｔ_１で空気内部循環制御が開始され、ｔ_２で空気内部循環停止ＦＣ電圧に低下すると空気内部循環制御が終了してＦＣ電圧は発電停止ＦＣ電圧になる。空気内部循環制御の間、通常発電ＦＣ電圧から低下していくことが示されている。

図８（Ｇ）は、二次電池７のＳＯＣの状態を示す。ｔ_１で二次電池７のＳＯＣがＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上に上昇して空気内部循環制御が開始されることが示されている。

以上の図８に示した一実施形態によれば、燃料電池５による発電によって、二次電池７がＦＣ発電停止ＳＯＣ（ＳＯＣ_２）以上に上昇して発電を停止してアイドリングとなるときに、空気内部循環制御部２３による循環制御を実行させるので、ＦＣ発電停止ＳＯＣの条件が成立後、直ちに発電を停止する場合に比べて燃料電池５の内部の空気を有効利用することによって発電効率を向上させることができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、未反応酸素を燃料電池内部で逆流させて再循環させることによって、未反応酸素を効率よく発電に利用して燃料電池の発電効率を向上させることができ、しかも簡単な構造で達成させることができるので、燃料電池システム及び該燃料電池システムを備えた電動車両への利用に適している。

１ 燃料電池システム
３ 電動車両
５ 燃料電池
７ 二次電池
９ 駆動モータ
１１ 空気極
１３ 空気供給手段
１５ 燃料極
１７ 水素供給手段
１９ 制御装置
２１ 発電制御部
２３ 空気内部循環制御部
２９ 空気コンプレッサ
３１ 空気入口弁
３３ 水素入口弁
３９ 空気排出弁
４１ 水素排出弁
４３ 水素再循環通路
４５ 水素再循環ポンプ
５１ 空気内部循環パージ弁
５７ 充電状態検出手段
５９ 車速センサ
６１ 電圧センサ

Claims (7)

1. 燃料ガスの水素ガスを燃料極に供給するとともに、酸化剤ガスの空気を空気極に供給して、供給された燃料ガスと空気とを反応させて発電するように構成した燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の空気極に圧縮空気を供給するための空気コンプレッサと、
   前記空気極の入口側に設けられ圧縮空気の供給を制御する空気入口弁と、
   前記空気極の出口側に設けられ前記空気極からの空気の排出を制御する空気排出弁と、
   前記空気極の入口と出口との間の空気流通経路に設けられ前記燃料電池の外部への空気の排出を制御する空気内部循環パージ弁と、
   前記空気入口弁と前記空気排出弁と前記空気内部循環パージ弁との開閉を制御して前記燃料電池内部に供給された空気を内部循環するように制御する空気内部循環制御部と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記空気内部循環制御部は、前記空気排出弁を閉じ、前記空気入口弁を開き、前記空気内部循環パージ弁の開閉を繰り返して、前記燃料電池内部に供給された空気を内部循環す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. 前記空気内部循環制御部は、空気内部循環制御の実行中に前記空気コンプレッサの出力を減少することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記空気内部循環制御部は、空気内部循環制御の実行中に前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧以下になったとき空気内部循環制御を停止することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記請求項１から４の何れか１項に記載の燃料電池システムを備え、さらに前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池を備え、前記二次電池の電力によって主に駆動される電動車両であって、前記二次電池のＳＯＣが所定のＳＯＣ以下になったときに前記燃料電池が発電を開始することを特徴とする電動車両。
6. 前記空気内部循環制御部は、所定の走行出力以下のときに実行されることを特徴とする請求項５に記載の電動車両。
7. 前記空気内部循環制御部は、電動車両の走行中に前記燃料電池が発電停止するときに実行されることを特徴とする請求項５に記載の電動車両。

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