JP7397610B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池を種々の装置の電力源として利用する技術の開発が進められている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。そして、燃料電池セルにおいて、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、空気）が供給されることによって発電が行われる。

燃料電池の発電中には、水素ガスと空気との電気化学反応が行われることによって、水が生成される。このように生成された水が燃料電池内に残存して、燃料電池内のガス流路（具体的には、空気が流通する空気流路または水素ガスが流通する水素ガス流路）に水が詰まり、ガスの流れが阻害されてしまう場合がある。このような場合には、ガスの流れが阻害されることにより燃料電池の電圧が低下してしまうので、燃料電池の掃気（つまり、燃料電池内のガス流路に一時的にガスを流すことにより当該ガス流路内の水を除去する処理）が行われる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８－０５３０８６号公報

ところで、従来の技術では、燃料電池の掃気において、例えば、ガス流路におけるガスの流速が不足すること等の要因によって、ガス流路内の水を十分に除去することができない場合があった。この場合には、燃料電池の電圧の低下や残存した水の凍結が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池内に残存する水を効果的に除去することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池に供給される空気が流通する空気供給路と、空気供給路に設けられ、第１空気が吸入される第１吸入口と、空気供給路に設けられ、第１空気より高温の第２空気が吸入される第２吸入口と、燃料電池システムにおける空気の流通経路を制御する制御装置と、を備え、第２吸入口は、燃料電池が収容される空間内に配置され、制御装置は、空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、第２吸入口から第２空気が吸入されるように流通経路を制御する。

制御装置は、燃料電池の発電時に、第１吸入口から第１空気が吸入され、当該空気が空気供給路を介して燃料電池に送られるように流通経路を制御し、燃料電池の掃気時に、第２吸入口から第２空気が吸入され、当該空気が空気供給路を介して燃料電池に送られるように流通経路を制御してもよい。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池に供給される空気が流通する空気供給路と、空気供給路に設けられ、空気供給路の外部から空気供給路の内部に第１空気が吸入される第１吸入口と、空気供給路に設けられ、空気供給路の外部から空気供給路の内部に第１空気より高温の第２空気が吸入される第２吸入口と、燃料電池システムにおける空気の流通経路を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の発電時に、第１吸入口から第１空気が吸入され、当該空気が空気供給路を介して燃料電池に送られるように流通経路を制御し、燃料電池の掃気時に、第２吸入口から第２空気が吸入され、当該空気が空気供給路を介して燃料電池に送られるように流通経路を制御する。

第２吸入口から吸入される第２空気は、発熱体により暖められた空気であってもよい。

発熱体は、ラジエータであってもよい。

制御装置は、ラジエータの冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、第２吸入口から第２空気が吸入されるように流通経路を制御してもよい。

燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、空気供給路と空気排出路とをバイパスするバイパス路と、をさらに備え、制御装置は、ラジエータの冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、第２吸入口から吸入された第２空気の少なくとも一部がバイパス路を介して空気排出路に送られるように流通経路を制御してもよい。

燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、空気供給路と空気排出路とをバイパスするバイパス路と、をさらに備え、制御装置は、上記空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、第２吸入口から吸入された第２空気の少なくとも一部がバイパス路を介して空気排出路に送られるように流通経路を制御してもよい。

本発明によれば、燃料電池内に残存する水を効果的に除去することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の発電時の燃料電池システムにおける空気の流れを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気時の燃料電池システムにおける空気の流れを示す模式図である。 本発明の実施形態に係るラジエータの冷却能力の不足時の燃料電池システムにおける空気の流れを示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<燃料電池システムの構成>
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。

なお、以下では、車両に搭載される燃料電池システム１について説明するが、本発明に係る燃料電池システムは、車両以外の他の装置に搭載されてもよく、例えば、船舶等の車両以外の移動体に搭載されてもよく、建物における発電システムとして利用される定置式のものであってもよい。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、例えば、燃料電池１０は車両の駆動用モータの電力源として利用され得る。

具体的には、燃料電池システム１は、図１に示されるように、燃料電池１０と、空気供給路２１と、空気排出路２２と、バイパス路２３と、第１吸入口３１と、第２吸入口３２と、エアフィルタ４１と、コンプレッサ４２と、冷媒循環路５１と、ラジエータ６１と、冷媒温度センサ８１と、水素濃度センサ８２と、三方弁９１と、三方弁９２と、背圧調整弁９３と、制御装置１００とを備える。

なお、以下で説明するように、ラジエータ６１は、本発明に係る発熱体（つまり、第２吸入口３２から吸入される空気を暖める発熱体）の一例に相当する。なお、後述するように、本発明に係る発熱体は、ラジエータ６１以外の発熱体であってもよい。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素ガス）と酸化ガス（具体的には、空気）とを反応させることにより発電する電池である。具体的には、燃料電池１０は、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、各燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。なお、以下では、燃料電池１０が車両のエンジンルーム内に配置される例を説明するが、車両内における燃料電池１０の位置は、特に限定されず、例えば、車室の下方等に配置されていてもよい。

燃料電池１０には、ガスが流通するガス流路として、空気が流通する空気流路１２および水素ガスが流通する水素ガス流路（図示省略）が形成されている。空気流路１２の一端には空気供給路２１が接続されており、空気流路１２の他端には空気排出路２２が接続されている。後述するように、空気流路１２には、空気供給路２１に設けられている空気の吸入口（具体的には、第１吸入口３１または第２吸入口３２）から吸入された空気が供給されるようになっている。なお、燃料電池１０内において、空気流路１２は、各燃料電池セルを通過するように分岐している。また、水素ガス流路は水素ガス供給路を介して水素タンクと接続されており、水素タンクから水素ガス流路に水素ガスが供給されるようになっている。なお、燃料電池１０内において、水素ガス流路は、各燃料電池セルを通過するように分岐している。

空気供給路２１は、燃料電池１０に供給される空気が流通する流路である。空気供給路２１は、上流側で２つの流路（具体的には、第１供給路２１ａおよび第２供給路２１ｂ）に分岐しており、当該２つの流路の各々に空気の吸入口（具体的には、第１吸入口３１および第２吸入口３２）が設けられている。

詳細には、空気供給路２１は、第１供給路２１ａと、第２供給路２１ｂと、第３供給路２１ｃとを有する。第３供給路２１ｃの下流側端部が燃料電池１０内の空気流路１２と接続されており、第３供給路２１ｃの上流側端部に第１供給路２１ａおよび第２供給路２１ｂがそれぞれ接続されている。そして、第１供給路２１ａの上流側端部に第１吸入口３１が設けられており、第２供給路２１ｂの上流側端部に第２吸入口３２が設けられている。なお、各供給路は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

第１吸入口３１は、外気（具体的には、車外の空気）が吸入される吸入口である。なお、外気は、本発明に係る第１空気（つまり、第１吸入口３１から吸入される空気）の一例に相当する。例えば、第１吸入口３１は、走行風が送られる位置に設けられていてもよく、車外の空間に面して設けられていてもよい。第１吸入口３１から吸入された外気は、第１供給路２１ａを通って第３供給路２１ｃに送られる。図１では、外気が第１吸入口３１から吸入される様子が矢印Ａ１により示されている。

第２吸入口３２は、外気より高温の空気（以下、暖気とも呼ぶ）が吸入される吸入口である。なお、暖気は、本発明に係る第２空気（つまり、第２吸入口３２から吸入され、第１空気より高温の空気）の一例に相当する。具体的には、第２吸入口３２は、車両において外気より高温の空気が存在する位置に設けられている。例えば、図１に示される例では、第２吸入口３２は、燃料電池１０の冷却に用いられる冷媒を冷却するためのラジエータ６１の近傍に設けられている。

具体的には、ラジエータ６１は、冷媒が循環する冷媒循環路５１に設けられている。冷媒循環路５１は燃料電池１０内の冷媒流路１５と接続されており、冷媒流路１５を流通する冷媒と燃料電池１０との間で熱交換が行われることにより燃料電池１０が冷却される。ラジエータ６１には、燃料電池１０との熱交換により暖められた冷媒が流通し、ラジエータ６１の周囲の空気とラジエータ６１との間で熱交換が行われることにより冷媒が冷却される。例えば、ラジエータ６１には、走行風が当たるようになっており、ラジエータ６１の周囲に送られる外気とラジエータ６１との間で熱交換が行われる。ラジエータ６１により暖められた空気は外気より高温となっており、このような空気（つまり、暖気）が第２吸入口３２から吸入される。第２吸入口３２から吸入された暖気は、第２供給路２１ｂを通って第３供給路２１ｃに送られる。図１では、ラジエータ６１により暖められた空気（つまり、暖気）が第２吸入口３２から吸入される様子が矢印Ａ２により示されている。

ラジエータ６１および第２吸入口３２は、エンジンルーム内に配置されている。このように、第２吸入口３２は、燃料電池１０が収容される空間（つまり、エンジンルーム）内に配置される。なお、第２吸入口３２が収容される空間と燃料電池１０が収容される空間とは、互いに異なっていてもよい。

第１供給路２１ａと第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとの接続部分には、三方弁９１が設けられている。三方弁９１は、第１供給路２１ａと第３供給路２１ｃとが連通する状態と、第１供給路２１ａと第３供給路２１ｃとの間での空気の流通が遮断される状態とを切り替える機能を有する。また、三方弁９１は、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとが連通する状態と、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとの間での空気の流通が遮断される状態とを切り替える機能を有する。

第３供給路２１ｃには、エアフィルタ４１と、コンプレッサ４２とが上流側からこの順に設けられている。エアフィルタ４１は、第３供給路２１ｃを流通する空気に含まれる異物を除去する。コンプレッサ４２は、当該コンプレッサ４２よりも上流側の空気を圧縮して下流側（つまり、燃料電池１０側）に送る。

燃料電池システム１における空気の流れは、コンプレッサ４２が駆動されることによって生じる。具体的には、第１供給路２１ａと第３供給路２１ｃとが連通している状態でコンプレッサ４２が駆動された場合、外気が第１吸入口３１から吸入され、第１供給路２１ａおよび第３供給路２１ｃを通るように、空気の流れが生じる。また、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとが連通している状態でコンプレッサ４２が駆動された場合、暖気が第２吸入口３２から吸入され、第２供給路２１ｂおよび第３供給路２１ｃを通るように、空気の流れが生じる。

空気排出路２２は、燃料電池１０から排出される空気が流通する流路である。燃料電池１０内の空気流路１２を通った空気は、空気排出路２２を通って排出される。図１では、空気が空気排出路２２を通って排出される様子が矢印Ａ３により示されている。なお、空気排出路２２は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

空気排出路２２には、背圧調整弁９３が設けられている。背圧調整弁９３は、当該背圧調整弁９３より上流側（具体的には、空気排出路２２における背圧調整弁９３より上流側、燃料電池１０内の空気流路１２、空気供給路２１および後述するバイパス路２３）での空気の圧力を調整する機能を有する。具体的には、背圧調整弁９３の開度が調整されることによって、背圧調整弁９３を通過する空気の流量が調整されることにより、背圧調整弁９３より上流側での空気の圧力が調整される。

バイパス路２３は、空気供給路２１と空気排出路２２とをバイパスする空気の流路である。具体的には、バイパス路２３は、空気供給路２１の第３供給路２１ｃにおけるコンプレッサ４２よりも下流側と、空気排出路２２における背圧調整弁９３よりも上流側との間に亘って設けられている。なお、バイパス路２３は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

空気供給路２１の第３供給路２１ｃとバイパス路２３との接続部分には、三方弁９２が設けられている。三方弁９２は、第３供給路２１ｃにおける当該三方弁９２よりも上流側と下流側とが連通する状態と、第３供給路２１ｃにおける当該三方弁９２よりも上流側と下流側との間での空気の流通が遮断される状態とを切り替える機能を有する。また、三方弁９２は、第３供給路２１ｃにおける当該三方弁９２よりも上流側とバイパス路２３とが連通する状態と、第３供給路２１ｃにおける当該三方弁９２よりも上流側とバイパス路２３との間での空気の流通が遮断される状態とを切り替える機能を有する。

冷媒温度センサ８１は、冷媒循環路５１における燃料電池１０よりも下流側の冷媒の温度を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。具体的には、冷媒温度センサ８１は、燃料電池１０内の冷媒流路１５の下流側端部（つまり、冷媒流路１５の出口）の近傍に設けられ、設置箇所における冷媒の温度を検出する。制御装置１００が行う後述する処理では、冷媒温度センサ８１により検出される冷媒の温度は、燃料電池１０の温度に相当する値として利用される。

水素濃度センサ８２は、燃料電池１０が収容される空間（具体的には、エンジンルーム）内における水素濃度を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。

制御装置１００は、燃料電池システム１における各装置の動作を制御する。それにより、制御装置１００は、燃料電池システム１における空気の流れを制御することができる。

例えば、制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含む。

具体的には、制御装置１００は、コンプレッサ４２、三方弁９１、三方弁９２および背圧調整弁９３の動作を制御することによって、燃料電池システム１における空気の流れ（具体的には、空気の流通経路）を制御する。

また、制御装置１００は、冷媒温度センサ８１および水素濃度センサ８２と通信することによって、冷媒温度センサ８１および水素濃度センサ８２から出力される情報を取得する。このように得られる情報は、燃料電池システム１における空気の流通経路の制御に関する処理に利用される。

制御装置１００は、上述したように、燃料電池システム１に搭載される各装置と通信を行う。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。

なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により少なくとも部分的に分割されてもよく、複数の機能が１つの制御装置によって実現されてもよい。制御装置１００が有する機能が複数の制御装置により少なくとも部分的に分割される場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

上記のように、燃料電池システム１では、第１空気（例えば、外気）が吸入される第１吸入口３１が空気供給路２１に設けられ、第１空気より高温の第２空気（例えば、外気より高温の空気である暖気）が吸入される第２吸入口３２が第１吸入口３１とは別に空気供給路２１に設けられる。それにより、燃料電池１０内に残存する水を効果的に除去することが実現される。ここで、燃料電池システム１における空気の流通経路の制御は、上述したように、制御装置１００により行われる。このような、制御装置１００により行われる燃料電池システム１における空気の流通経路の制御に関する処理の詳細については、後述する。

<燃料電池システムの動作>
続いて、図２～図４を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

上述したように、燃料電池システム１における空気の流通経路の制御は、制御装置１００により行われる。ここで、制御装置１００は、状況に応じて、燃料電池システム１における空気の流通経路を切り替える。以下では、制御装置１００が行う制御により実現される各状況下での燃料電池システム１における空気の流れについて説明する。なお、以下で参照する図２～図４では、各状況下での燃料電池システム１における空気の流れが矢印により示されている。

［発電時］
まず、図２を参照して、燃料電池１０の発電時の燃料電池システム１における空気の流れについて説明する。

図２は、燃料電池１０の発電時の燃料電池システム１における空気の流れを示す模式図である。

制御装置１００は、例えば、車両の駆動要求が生じた場合（例えば、アクセルが踏み込まれた場合）に、燃料電池１０を発電させる。なお、燃料電池１０の発電は、具体的には、以下で説明する燃料電池１０への空気の供給に加えて、燃料電池１０への水素ガスの供給が行われることによって実現される。

燃料電池１０の発電時には、制御装置１００は、図２で矢印Ｆ１により示されるように、第１吸入口３１から外気が吸入され、当該外気が空気供給路２１を介して燃料電池１０に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御する。

詳細には、制御装置１００は、第１供給路２１ａと第３供給路２１ｃとが連通し、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとの間での空気の流通が遮断されるように、三方弁９１の動作を制御する。また、制御装置１００は、第３供給路２１ｃにおける三方弁９２よりも上流側と下流側とが連通し、第３供給路２１ｃにおける三方弁９２よりも上流側とバイパス路２３との間での空気の流通が遮断されるように、三方弁９２の動作を制御する。また、制御装置１００は、例えば、背圧調整弁９３より上流側での空気の圧力が燃料電池１０の出力の目標値に対応した圧力となるように、背圧調整弁９３の動作を制御する。

制御装置１００は、各弁を上記のように制御した状態で、コンプレッサ４２を駆動させる。それにより、第１吸入口３１から外気が吸入され、当該外気が第１供給路２１ａ、第３供給路２１ｃ、燃料電池１０内の空気流路１２、空気排出路２２の順に流れるように、燃料電池システム１における空気の流通経路が制御される。

上記のように、燃料電池１０の発電時には、第１吸入口３１を用いて空気を吸入することによって、外気を燃料電池１０内の空気流路１２に供給することができる。ゆえに、外気を酸化ガスとして用いて燃料電池１０を発電させることができる。

［掃気時］
次に、図３を参照して、燃料電池１０の掃気時の燃料電池システム１における空気の流れについて説明する。ここで、燃料電池１０の掃気は、燃料電池１０内の空気流路１２に一時的に空気を流すことにより当該空気流路１２内の水を除去する処理である。

図３は、燃料電池１０の掃気時の燃料電池システム１における空気の流れを示す模式図である。

制御装置１００は、例えば、燃料電池１０の発電を終了する際に、燃料電池１０の掃気を以下で説明するように行う。

燃料電池１０の掃気時には、制御装置１００は、図３で矢印Ｆ２により示されるように、第２吸入口３２から暖気が吸入され、当該暖気が空気供給路２１を介して燃料電池１０に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御する。

詳細には、制御装置１００は、第１供給路２１ａと第３供給路２１ｃとの間での空気の流通が遮断され、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとが連通するように、三方弁９１の動作を制御する。また、制御装置１００は、第３供給路２１ｃにおける三方弁９２よりも上流側と下流側とが連通し、第３供給路２１ｃにおける三方弁９２よりも上流側とバイパス路２３との間での空気の流通が遮断されるように、三方弁９２の動作を制御する。また、制御装置１００は、例えば、燃料電池１０の空気流路１２における空気の流速が当該空気流路１２に残存する水を除去し得る程度に大きくなるように、背圧調整弁９３の動作を制御する。

制御装置１００は、各弁を上記のように制御した状態で、コンプレッサ４２を駆動させる。それにより、第２吸入口３２から暖気が吸入され、当該暖気が第２供給路２１ｂ、第３供給路２１ｃ、燃料電池１０内の空気流路１２、空気排出路２２の順に流れるように、燃料電池システム１における空気の流通経路が制御される。なお、制御装置１００は、燃料電池１０の掃気時に、三方弁９１の動作を制御することによって、第２吸入口３２からの空気（つまり、暖気）の吸入に加えて第１吸入口３１からも空気（つまり、外気）が吸入されるように、流通経路を制御してもよい。

上記のように、燃料電池１０の掃気時には、発電時に用いられる第１吸入口３１と異なる第２吸入口３２を用いて空気を吸入することによって、外気より高温の空気である暖気を燃料電池１０内の空気流路１２に供給することができる。ゆえに、当該空気流路１２に残存する水を空気の流れで押し出して除去することに加えて、当該水を乾燥させることによっても除去することができる。よって、例えば、燃料電池１０の掃気において空気流路１２に外気を流す場合と比較して、空気の流れで押し出すことによっては除去しにくい比較的細かい水滴を乾燥させることにより除去することができる。ゆえに、燃料電池１０内に残存する水を効果的に除去することができる。

なお、上記では、燃料電池１０の発電を終了する際に燃料電池１０の掃気が行われる例を説明したが、燃料電池１０の掃気が行われるタイミングは、特に限定されない。例えば、制御装置１００は、燃料電池１０の停止時において、燃料電池１０の温度または外気温が基準温度以下の場合に燃料電池１０の掃気を行ってもよい。基準温度は、例えば、燃料電池１０内に残存した水が凍結する可能性が比較的高いか否かを判断し得る温度に設定される。なお、燃料電池１０の温度としては、例えば、冷媒温度センサ８１により検出される冷媒の温度を利用することができる。また、外気温を検出するセンサを車両に搭載することにより、外気温を取得することができる。また、例えば、制御装置１００は、燃料電池１０の起動時に燃料電池１０の掃気を行ってもよい。また、例えば、制御装置１００は、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定される場合に燃料電池１０の掃気を行ってもよい。フラッディング状態は、発電により生成された水が燃料電池１０のガス流路内に残存して、当該ガス流路に水が詰まり、ガスの流れが阻害されている状態を意味する。フラッディング状態は、例えば、燃料電池１０の電圧状態や内部インピーダンス等に基づいて検出され得る。

また、燃料電池１０の掃気（つまり、燃料電池１０内の空気流路１２への空気の供給）が終了するタイミングは、特に限定されない。例えば、制御装置１００は、燃料電池１０の掃気を開始した後、基準時間が経過したときに、燃料電池１０の掃気を終了してもよい。基準時間は、例えば、燃料電池１０内に残存した水の掃気による除去にかかる平均的な時間として想定される時間より長い時間に設定される。

［ラジエータの冷却能力の不足時］
燃料電池１０の発電時等には、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足する場合がある。例えば、ラジエータ６１に送られる走行風の風量が小さくなるほど、ラジエータ６１の冷却能力（つまり、冷媒循環路５１を循環する冷媒をラジエータ６１により冷却する能力）が低下する。それにより、冷媒によって燃料電池１０を適切に冷却することが困難となり得る。例えば、目標温度よりも高くなっている燃料電池１０の温度を目標温度に向けて低下させることができない程度にラジエータ６１の冷却能力が低下している場合が、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足する場合に相当する。

図４は、ラジエータ６１の冷却能力の不足時（つまり、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足している時）の燃料電池システム１における空気の流れを示す模式図である。

制御装置１００は、例えば、燃料電池１０の温度に基づいて、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足しているか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、燃料電池１０の温度が比較的長い時間に亘って継続して上昇している場合に、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定する。なお、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足しているか否かの判定は、制御装置１００以外の装置により行われてもよい。

上述したように、燃料電池１０の発電時には、図４で矢印Ｆ１により示されるように、第１吸入口３１から外気が吸入され、当該外気が第１供給路２１ａ、第３供給路２１ｃ、燃料電池１０内の空気流路１２、空気排出路２２の順に流れるように、燃料電池システム１における空気の流通経路が制御されている。

ここで、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合には、制御装置１００は、第１吸入口３１からの外気の吸入に加えて、第２吸入口３２から暖気が吸入されるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。具体的には、制御装置１００は、図４で矢印Ｆ３により示されるように、第２吸入口３２から暖気が吸入され、当該暖気がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。なお、図４で示される例のように、矢印Ｆ１により示される空気の流れが生じている場合には、第２吸入口３２から吸入された暖気の一部は、燃料電池１０内の空気流路１２に供給され得る。

詳細には、燃料電池１０の発電時に、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合には、制御装置１００は、三方弁９１の動作を制御することにより、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとを連通させる。また、制御装置１００は、三方弁９２の動作を制御することにより、第３供給路２１ｃにおける三方弁９２よりも上流側とバイパス路２３とを連通させる。それにより、矢印Ｆ１により示される空気の流れに加えて、矢印Ｆ３により示されるように、第２吸入口３２から暖気が吸入され、当該暖気の少なくとも一部が第２供給路２１ｂ、第３供給路２１ｃ、バイパス路２３、空気排出路２２の順に流れるように、燃料電池システム１における空気の流通経路が制御される。

なお、燃料電池１０の発電時にラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合において、制御装置１００は、第１吸入口３１から吸入される外気の流量が維持されるようにコンプレッサ４２の動作を制御する（つまり、コンプレッサ４２により吸引される空気の流量を増大させる）ことが好ましい。また、制御装置１００は、第２吸入口３２から吸入される暖気の流量と、バイパス路２３を流通する空気の流量とが同程度となるように、三方弁９２の動作を制御することが好ましい。

上記のように、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、第２吸入口３２を用いて空気を吸入することによって、ラジエータ６１の周囲で空気の流れを生じさせること、または、ラジエータ６１の周囲の空気の流量を増大させることができる。ゆえに、ラジエータ６１の周囲の空気とラジエータ６１との間での熱交換を促進させることができる。よって、ラジエータ６１の冷却能力の不足分を補うことができる。それにより、燃料電池１０の温度を適切に制御することができる。

なお、上記では、第２吸入口３２が燃料電池１０用のラジエータ６１（つまり、燃料電池１０の冷却に用いられる冷媒を冷却するためのラジエータ）の近傍に設けられている例を説明したが、第２吸入口３２は、電気による発熱を伴う機器（例えば、車両の駆動輪を駆動するモータ、バッテリまたはＤＣＤＣコンバータ等）の冷却に用いられる冷媒を冷却するラジエータである電気系用ラジエータの近傍に設けられていてもよい。この場合、電気系用ラジエータにより暖められた空気が第２吸入口３２から吸入される。

ここで、燃料電池１０の停止時に、電気系用ラジエータの冷却能力が必要量より不足していると判定される場合には、制御装置１００は、矢印Ｆ１により示される空気の流れが生じずに、矢印Ｆ３により示される空気の流れが生じるように、燃料電池システム１における空気の流通経路を制御する。つまり、電気系用ラジエータの冷却能力が必要量より不足していると判定される場合には、制御装置１００は、矢印Ｆ１により示される空気の流れを必ずしも生じさせなくてもよい。

また、上記では、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に第２吸入口３２から吸入された暖気の少なくとも一部がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られる例を説明したが、上記のように判定される場合に第２吸入口３２から吸入された暖気の全てが燃料電池１０の空気流路１２を介して空気排出路２２に送られてもよい。しかしながら、燃料電池１０における燃料電池セルの電解質膜の乾燥を抑制する観点では、制御装置１００は、ラジエータ６１の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、第２吸入口３２から吸入された暖気の少なくとも一部がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。

［燃料電池が収容される空間内の水素濃度の上昇時］
燃料電池１０が収容される空間（例えば、エンジンルーム）内において、水素濃度が上昇して基準濃度以上となる場合がある。基準濃度は、水素濃度が車両の安全性を十分に確保し得る程度に小さいか否かを判断できる値に適宜設定される。

燃料電池１０が収容される空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合には、制御装置１００は、第２吸入口３２から暖気が吸入されるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。具体的には、制御装置１００は、上記で参照した図４の矢印Ｆ３により示されるように、第２吸入口３２から暖気が吸入され、当該暖気がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。

詳細には、燃料電池１０が収容される空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合には、制御装置１００は、三方弁９１の動作を制御することにより、第２供給路２１ｂと第３供給路２１ｃとを連通させる。また、制御装置１００は、三方弁９２の動作を制御することにより、第３供給路２１ｃにおける三方弁９２よりも上流側とバイパス路２３とを連通させる。

制御装置１００は、各弁を上記のように制御した状態で、コンプレッサ４２を駆動させる。それにより、図４の矢印Ｆ３により示されるように、第２吸入口３２から暖気が吸入され、当該暖気が第２供給路２１ｂ、第３供給路２１ｃ、バイパス路２３、空気排出路２２の順に流れるように、燃料電池システム１における空気の流通経路が制御される。なお、この際に、燃料電池１０の発電が行われている場合には、図４の矢印Ｆ３により示される空気の流れに加えて、図４の矢印Ｆ１により示される空気の流れが生じるように、燃料電池システム１における空気の流通経路が制御される。この場合には、第２吸入口３２から吸入された暖気の一部は、燃料電池１０内の空気流路１２に供給され得る。

ここで、第２吸入口３２は、上述したように、燃料電池１０が収容される空間内に配置されている。ゆえに、第２吸入口３２から吸入される空気は、燃料電池１０が収容される空間内の空気である。よって、上記のように、燃料電池１０が収容される空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、第２吸入口３２を用いて空気を吸入することによって、燃料電池１０が収容される空間から水素を排出することができる。ゆえに、当該空間内における水素濃度を低下させることができる。

なお、上記では、燃料電池１０が収容される空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に第２吸入口３２から吸入された暖気の少なくとも一部がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られる例を説明したが、上記のように判定される場合に第２吸入口３２から吸入された暖気の全てが燃料電池１０の空気流路１２を介して空気排出路２２に送られてもよい。しかしながら、燃料電池１０における燃料電池セルの電解質膜の乾燥を抑制する観点では、制御装置１００は、燃料電池１０が収容される空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、第２吸入口３２から吸入された暖気の少なくとも一部がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。

<燃料電池システムの効果>
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に供給される空気が流通する空気供給路２１と、空気供給路２１に設けられ、第１空気（例えば、外気）が吸入される第１吸入口３１と、空気供給路２１に設けられ、第１空気より高温の第２空気（例えば、外気より高温の空気である暖気）が吸入される第２吸入口３２とを備える。それにより、燃料電池１０の発電時には、第１吸入口３１を用いて空気を吸入することによって、第２空気より低温の第１空気を酸化ガスとして用いて燃料電池１０を発電させることができる。一方、燃料電池１０の掃気時には、発電時に用いられる第１吸入口３１と異なる第２吸入口３２を用いて空気を吸入することによって、第１空気より高温の第２空気を用いて燃料電池１０を掃気することができる。ゆえに、燃料電池１０内に残存する水を効果的に除去することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、燃料電池１０の発電時に、第１吸入口３１から第１空気が吸入され、当該空気が空気供給路２１を介して燃料電池１０に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御し、燃料電池１０の掃気時に、第２吸入口３２から第２空気が吸入され、当該空気が空気供給路２１を介して燃料電池１０に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。それにより、第１空気を酸化ガスとして用いた燃料電池１０の発電を実現した上で、第１空気より高温の第２空気を用いた燃料電池１０の掃気を実現することができる。ゆえに、燃料電池１０内に残存する水を効果的に除去することを適切に実現することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第２吸入口３２から吸入される第２空気は、発熱体により暖められた空気であることが好ましい。それにより、燃料電池１０の掃気時に、燃料電池１０に送られる空気の温度を効果的に高くすることができるので、燃料電池１０の掃気により水を除去する効果を効果的に向上させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第２吸入口３２から吸入される第２空気を暖める発熱体は、ラジエータ（例えば、ラジエータ６１）であることが好ましい。それにより、燃料電池システム１内またはその周囲に設けられているラジエータにより発せられる熱を有効に利用して、燃料電池１０の掃気により水を除去する効果を向上させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、上記発熱体としてのラジエータ（例えば、ラジエータ６１）の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、第２吸入口３２から第２空気が吸入されるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。それにより、ラジエータの周囲で空気の流れを生じさせること、または、ラジエータの周囲の空気の流量を増大させることができる。ゆえに、ラジエータの周囲の空気とラジエータとの間での熱交換を促進させることができるので、ラジエータの冷却能力の不足分を補うことができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、上記発熱体としてのラジエータ（例えば、ラジエータ６１）の冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、第２吸入口３２から吸入された第２空気の少なくとも一部がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。それにより、燃料電池１０に不必要に空気が送られることを抑制することができるので、燃料電池１０における燃料電池セルの電解質膜の乾燥を抑制した上でラジエータの冷却能力の不足分を補うことができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第２吸入口３２は、燃料電池１０が収容される空間内に配置され、制御装置１００は、当該空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、第２吸入口３２から第２空気が吸入されるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。それにより、燃料電池１０が収容される空間から水素を排出することができる。ゆえに、当該空間内における水素濃度を低下させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第２吸入口３２は、燃料電池１０が収容される空間内に配置され、制御装置１００は、当該空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、第２吸入口３２から吸入された第２空気の少なくとも一部がバイパス路２３を介して空気排出路２２に送られるように燃料電池システム１における空気の流通経路を制御することが好ましい。それにより、燃料電池１０に不必要に空気が送られることを抑制することができるので、燃料電池１０における燃料電池セルの電解質膜の乾燥を抑制した上で当該空間内における水素濃度を低下させることができる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、図１を参照して、燃料電池システム１の構成について説明したが、本発明に係る燃料電池システムの構成は、このような例に限定されず、例えば、図１に示される燃料電池システム１に対して一部の構成要素を削除、追加または変更したものであってもよい。具体的には、本発明に係る燃料電池システムの構成は、図１に示される燃料電池システム１に対してバイパス路２３を省略したもの、三方弁９１または三方弁９２を互いに異なる位置に別々に設けられた複数の弁に置き換えたもの、空気供給路２１におけるコンプレッサ４２の設置位置または設置数を変更したもの、背圧調整弁９３の動作を上記で説明した例から変更したもの等であってもよい。

また、例えば、上記では、冷媒温度センサ８１により検出される冷媒の温度が燃料電池１０の温度に相当する値として利用される例について説明したが、冷媒温度センサ８１以外の他のセンサ（例えば、燃料電池１０の一部の温度を検出するセンサや燃料電池１０の温度と相関する温度以外の物理量を検出するセンサ等）の検出結果が燃料電池１０の温度に相当する値として利用されてもよい。なお、その場合、燃料電池システム１の構成から冷媒温度センサ８１は省略され得る。

また、例えば、上記では、第２吸入口３２により吸入される空気（つまり、第２空気）がラジエータ６１により暖められる空気である例を説明したが、第２吸入口３２により吸入される空気は第１空気としての外気より高温の空気であればよく、特に限定されない。例えば、第２吸入口３２は、ラジエータ以外の発熱体（例えば、車両の駆動輪を駆動するモータ、バッテリ、燃料電池１０本体、ヒーターまたは燃焼器等）の近傍に設けられており、当該発熱体により暖められた空気が第２吸入口３２から吸入されてもよい。また、例えば、第２吸入口３２は、発熱体により暖められた空気が届かない位置に設けられていてもよい。例えば、エンジンルーム内の空気は、外気より高温となっているので、第２吸入口３２がエンジンルーム内においてラジエータ６１等の発熱体から比較的離れた位置に設けられていても、第２吸入口３２には外気より高温の空気が吸入され得る。例えば、装置が配置された空間の空気は、輻射熱や複数の発熱体の影響により、外気より高温となっているので、第２吸入口３２が車室内やエンジンルーム内に設置されていれば、発熱体の近傍でなくても第２吸入口３２には外気より高温の空気が吸入され得る。

本発明は、燃料電池システムに利用できる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１２ 空気流路
１５ 冷媒流路
２１ 空気供給路
２１ａ 第１供給路
２１ｂ 第２供給路
２１ｃ 第３供給路
２２ 空気排出路
２３ バイパス路
３１ 第１吸入口
３２ 第２吸入口
４１ エアフィルタ
４２ コンプレッサ
５１ 冷媒循環路
６１ ラジエータ（発熱体）
８１ 冷媒温度センサ
８２ 水素濃度センサ
９１ 三方弁
９２ 三方弁
９３ 背圧調整弁
１００ 制御装置

Claims (8)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給される空気が流通する空気供給路と、
   前記空気供給路に設けられ、第１空気が吸入される第１吸入口と、
   前記空気供給路に設けられ、前記第１空気より高温の第２空気が吸入される第２吸入口と、
   前記燃料電池システムにおける空気の流通経路を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第２吸入口は、前記燃料電池が収容される空間内に配置され、
   前記制御装置は、前記空間内における水素濃度が基準濃度以上である場合に、前記第２吸入口から前記第２空気が吸入されるように前記流通経路を制御する、
   燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電時に、前記第１吸入口から前記第１空気が吸入され、当該空気が前記空気供給路を介して前記燃料電池に送られるように前記流通経路を制御し、
   前記燃料電池の掃気時に、前記第２吸入口から前記第２空気が吸入され、当該空気が前記空気供給路を介して前記燃料電池に送られるように前記流通経路を制御する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給される空気が流通する空気供給路と、
   前記空気供給路に設けられ、前記空気供給路の外部から前記空気供給路の内部に第１空気が吸入される第１吸入口と、
   前記空気供給路に設けられ、前記空気供給路の外部から前記空気供給路の内部に前記第１空気より高温の第２空気が吸入される第２吸入口と、
   前記燃料電池システムにおける空気の流通経路を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電時に、前記第１吸入口から前記第１空気が吸入され、当該空気が前記空気供給路を介して前記燃料電池に送られるように前記流通経路を制御し、
   前記燃料電池の掃気時に、前記第２吸入口から前記第２空気が吸入され、当該空気が前記空気供給路を介して前記燃料電池に送られるように前記流通経路を制御する、
   燃料電池システム。
4. 前記第２吸入口から吸入される前記第２空気は、発熱体により暖められた空気である、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記発熱体は、ラジエータである、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置は、前記ラジエータの冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、前記第２吸入口から前記第２空気が吸入されるように前記流通経路を制御する、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
   前記空気供給路と前記空気排出路とをバイパスするバイパス路と、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記ラジエータの冷却能力が必要量より不足していると判定される場合に、前記第２吸入口から吸入された前記第２空気の少なくとも一部が前記バイパス路を介して前記空気排出路に送られるように前記流通経路を制御する、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
   前記空気供給路と前記空気排出路とをバイパスするバイパス路と、
   をさらに備え、
   前記制御装置は、前記空間内における水素濃度が前記基準濃度以上である場合に、前記第２吸入口から吸入された前記第２空気の少なくとも一部が前記バイパス路を介して前記空気排出路に送られるように前記流通経路を制御する、
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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