(57)【要約】      （修正有）【課題】消費電力の増加を抑制して、オフガスを再循環させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、酸化剤ガスを燃料電池に供給する供給路１１と、供給路で酸化剤ガスを圧送する第１コンプレッサ１１１と、供給路で第１コンプレッサの下流側に接続され、酸化剤ガスを燃料電池に圧送する第２コンプレッサ１１２と、燃料電池のオフガスを外部に排出する排出路１２と、排出路と、第１及び第２コンプレッサ間の供給路とに接続され、オフガスの少なくとも一部を再循環させる再循環路１３と再循環路の排出路または供給路との接続部に設けられオフガスの再循環量を弁開度により調整する三方弁１２０と、第１コンプレッサから第２コンプレッサに圧送される酸化剤ガスと再循環路から供給路に導入される酸化剤ガスの圧力差分が所定値以下となるように第１コンプレッサの圧縮比と弁開度の少なくとも一方を制御する制御部とを有する。【選択図】図１
2018026243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する供給路と、
前記供給路に接続され、前記酸化剤ガスを圧送する第１コンプレッサと、
前記供給路において前記第１コンプレッサの下流側に接続され、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に圧送する第２コンプレッサと、
前記燃料電池の前記カソードから排出されるオフガスを外部に排出する排出路と、
前記排出路と、前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサの間の前記供給路とに接続され、前記オフガスの少なくとも一部を前記燃料電池に再循環させる再循環路と、
前記再循環路における前記排出路または前記供給路との接続部に設けられ、再循環される前記オフガスの量を弁開度により調整する三方弁と、
前記第１コンプレッサから前記第２コンプレッサに圧送される前記酸化剤ガスの圧力と前記再循環路から前記供給路に導入される前記酸化剤ガスの圧力との差分が所定値以下となるように、前記第１コンプレッサの圧縮比及び前記弁開度の少なくとも一方を制御する制御部とを有する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、エアコンプレッサにより圧縮された酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。
【０００３】
燃料電池は、発電時に生じた水分を使用済みの水素及び酸素とともに排出する。燃料電池システムでは、燃料電池の電解質膜が乾燥状態である場合、発電性能の低下を防ぐため、排出される酸素、つまりカソードのオフガスを水分とともに燃料電池に再循環させる（例えば特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５００９３１号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、特許文献１に記載された構成のように、オフガスの再循環路をエアコンプレッサの下流側の空気の供給路に接続する場合、エアコンプレッサにより圧縮された空気の圧力が再循環路の圧力より大きいため、再循環路にもエアコンプレッサを追加する必要がある。このため、再循環路のエアコンプレッサにより消費電力が増加するという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献２に記載された構成のように、オフガスの再循環路をエアコンプレッサの上流側の空気の供給路に接続した場合、エアコンプレッサの上流側には空気導入口が設けられているため、再循環路から導入されたオフガスの圧力により空気の導入が阻害されるおそれがある。このため、十分な空気を導入するためにはオフガスを再循環路内で減圧する必要があるが、減圧されたオフガスはエアコンプレッサにより再び圧縮されるため、やはり消費電力が増加する。なお、この問題は、ＦＣＶに搭載された燃料電池システムに限定されず、他用途の燃料電池システムにも同様に存在する。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、消費電力の増加を抑制して、オフガスを再循環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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃料電池システムは、酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池のカソードに供給する供給路と、前記供給路に接続され、前記酸化剤ガスを圧送する第１コンプレッサと、前記供給路において前記第１コンプレッサの下流側に接続され、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に圧送する第２コンプレッサと、前記燃料電池の前記カソードから排出されるオフガスを外部に排出する排出路と、前記排出路と、前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサの間の前記供給路とに接続され、前記オフガスの少なくとも一部を前記燃料電池に再循環させる再循環路と、前記再循環路における前記排出路または前記供給路との接続部に設けられ、再循環される前記オフガスの量を弁開度により調整する三方弁と、前記第１コンプレッサから前記第２コンプレッサに圧送される前記酸化剤ガスの圧力と前記再循環路から前記供給路に導入される前記酸化剤ガスの圧力との差分が所定値以下となるように、前記第１コンプレッサの圧縮比及び前記弁開度の少なくとも一方を制御する制御部とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、消費電力の増加を抑制して、オフガスを再循環させることができることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池システムの他例を示す構成図である。
【図４】液水貯留装置の一例を示す図である。
【図５】燃料電池システムの動作の他例を示すフローチャートである。
【図６】貯留水の処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】燃料電池システムの動作の他例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータＭに電力を供給する。
【００１２】
燃料電池システムは、制御装置１０と、供給路の一例である空気供給路１１と、空気排出路１２と、再循環路の一例である空気再循環路１３と、燃料ガス供給路１４と、燃料ガス排出路１５と、燃料ガス再循環路１６と、インピーダンス測定器２３０と、温度測定器２３１とを有する。空気供給路１１、空気排出路１２、及び空気再循環路１３は燃料電池２３のカソード側に設けられ、燃料ガス供給路１４、燃料ガス排出路１５、及び燃料ガス再循環路１６は燃料電池２３のアノード側に設けられている。
【００１３】
また、燃料電池システムは、空気導入口１１０と、第１エアコンプレッサ１１１と、第２エアコンプレッサ１１２と、圧力測定器１１３，１２１と、三方弁１２０と、逆止弁１３０と、水素タンク１４０と、調圧弁１４１と、パージ弁１５０と、ポンプ１６０と有する。
【００１４】
制御装置１０は、制御部の一例であり、燃料電池システムの動作を制御する。制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などを含むＣＰＵ回路１００と、燃料電池システムの各種の特性に関するデータベース１０１とを有する。ＣＰＵ回路１００は、ＲＯＭなどの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。なお、制御装置１０は、プログラムで動作するものに限定されず、ハードウェアのみで動作するものであってもよい。
【００１５】
ＣＰＵ回路１００は、燃料電池システムの動作を制御するとき、データベース１０１を参照する。データベース１０１には、シミュレーションまたは実機による計測結果に基づいて生成された複数種類のパラメータの相関関係などが格納されている。
【００１６】
制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１、第２エアコンプレッサ１１２、三方弁１２０、調圧弁１４１、及びパージ弁１５０に制御信号Ｓ１〜Ｓ５をそれぞれ出力する。また、制御装置１０には、圧力測定器１１３，１２１から圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔが入力され、インピーダンス測定器２３０からインピーダンスＺが入力され、温度測定器２３１から温度Ｔが入力される。
【００１７】
燃料電池２３のアノード側には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路１４と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路１５とが接続されている。燃料ガス供給路１４には、水素タンク１４０及び調圧弁１４１が、この順に接続されている。
【００１８】
水素タンク１４０は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１４０から調圧弁１４１を経由して燃料電池２３のアノード側に導入される。
【００１９】
水素ガスは、調圧弁１４１を通過することで圧力が調整される。調圧弁１４１は、制御装置１０からの制御信号Ｓ４に基づいて弁開度を調整することで、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力を調整する。
【００２０】
燃料電池２３から排出された水素ガス、つまりアノードのオフガスは燃料ガス排出路１５に導かれる。燃料ガス排出路１５の途中にはパージ弁１５０が設けられている。
【００２１】
パージ弁１５０は制御装置１０からの制御信号Ｓ５に従って開閉される。パージ弁１５０は、燃料電池２３内から水素ガスを掃気する場合に開放される。
【００２２】
燃料ガス排出路１５からは燃料ガス再循環路１６が分岐している。燃料ガス再循環路１６は燃料ガス供給路１４に接続されている。燃料ガス再循環路１６にはポンプ１６０が設けられており、ポンプ１６０は、燃料ガス排出路１５に排出された水素ガスを、燃料ガス再循環路１６を経由して燃料ガス供給路１４に導く。燃料ガス再循環路１６から燃料ガス供給路１４に導かれた水素ガスは燃料電池２３に再供給される。
【００２３】
燃料電池２３は、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成される。各燃料電池セルは、水素ガスが供給されるアノード電極（燃料極）２３ａと、酸素が供給されるカソード電極（酸素極）２３ｃと、アノード電極２３ａ及びカソード電極２３ｃに挟まれた電解質膜２３ｂとを備える。
【００２４】
アノード電極２３ａ、カソード電極２３ｃ、及び電解質膜２３ｂは、膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）を構成する。水素及び酸素は化学反応することにより水と電気を生成する。このように、燃料電池２３は、アノード側に水素が供給されカソード側に酸素が供給されることにより発電し、車両を駆動するモータに電流を出力する。
【００２５】
燃料電池２３には、インピーダンス測定器２３０及び温度測定器２３１が接続されている。インピーダンス測定器２３０は、抵抗器などの回路素子などから構成され、燃料電池２３に電流を流すことにより燃料電池２３のインピーダンスＺ（Ω）を測定する。インピーダンス測定器２３０は、測定したインピーダンスＺの値を制御装置１０に出力する。
【００２６】
また、温度測定器２３１は、例えば電気式温度計であり、燃料電池２３の温度Ｔを測定する。温度測定器２３１は、例えば、燃料電池２３のスタック内の温度分布に基づき複数箇所の平均の温度Ｔを測定する。温度測定器２３１は、測定した温度Ｔの値を制御装置１０に出力する。
【００２７】
制御装置１０は、燃料電池２３のインピーダンスＺ及び温度Ｔの少なくとも一方に基づき、燃料電池２３が乾燥状態であるか否かを判定する。例えば、制御装置１０は、インピーダンスＺまたは温度Ｔが所定の閾値を超えた場合、燃料電池２３が乾燥状態であると判定する。制御装置１０がインピーダンスＺ及び温度Ｔの一方だけを乾燥状態の判定に用いる場合、燃料電池システムにはインピーダンス測定器２３０及び温度測定器２３１の一方だけが設けられればよい。なお、制御装置１０は、例えば燃料電池２３が乾燥状態であると判定した場合、後述するように、カソードのオフガスの再循環処理を開始する。
【００２８】
燃料電池２３のカソード側には、酸化剤ガスの一例である空気を供給するための空気供給路１１と、発電に使用した空気を排出するための空気排出路１２とが接続されている。空気供給路１１には、空気導入口１１０、第１エアコンプレッサ１１１、及び第２エアコンプレッサ１１２が、この順に接続されている。また、第１エアコンプレッサ１１１及び第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａには、空気再循環路１３及び圧力測定器１１３が接続されている。
【００２９】
空気導入口１１０は空気を燃料電池車の外部から空気供給路１１へと導く。第１エアコンプレッサ１１１は、第１コンプレッサの一例であり、空気導入口１１０の下流側に接続され、空気導入口１１０から流入した空気を第２エアコンプレッサ１１２に圧送する。より具体的には、第１エアコンプレッサ１１１は、空気を圧縮することによりその圧力を高めて第２エアコンプレッサ１１２に送出する。
【００３０】
第２エアコンプレッサ１１２は、第２コンプレッサの一例であり、第１エアコンプレッサ１１１の下流側に接続され、第１エアコンプレッサ１１１から流入した空気を燃料電池２３のカソード側に圧送する。より具体的には、第２エアコンプレッサ１１２は、空気を圧縮することによりその圧力を高めて燃料電池２３のカソード側に送出する。
【００３１】
制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１及び第２エアコンプレッサ１１２に制御信号Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ出力する。第１エアコンプレッサ１１１及び第２エアコンプレッサ１１２は制御信号Ｓ１，Ｓ２に従い圧縮比を調整する。これにより、制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１及び第２エアコンプレッサ１１２からそれぞれ圧送される空気の圧力を制御する。
【００３２】
圧力測定器１１３は、第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気の圧力Ｐｉｎを測定する。圧力測定器１１３は圧力Ｐｉｎの値を制御装置１０に出力する。
【００３３】
燃料電池２３では、第２エアコンプレッサ１１２から圧送された空気内の酸素と、水素タンク１４０から供給された水素ガスとが化学反応することにより発電が行われる。また、燃料電池２３では発電時に水分が生成される。燃料電池２３は使用済みの空気を水分とともにオフガスとして空気排出路１２に排出する。
【００３４】
空気排出路１２には圧力測定器１２１と三方弁１２０と背圧弁１２２とが接続されている。圧力測定器１２１は三方弁１２０の上流側に接続されている。圧力測定器１２１は、燃料電池２３から排出された空気の圧力Ｐｏｕｔを測定する。圧力測定器１２１は圧力Ｐｏｕｔの値を制御装置１０に出力する。なお、空気排出路１２は排出路の一例である。
【００３５】
三方弁１２０には、燃料電池２３から排出された空気、つまりカソードのオフガスを第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａに導く空気再循環路１３が接続されている。三方弁１２０は、空気再循環路１３における空気排出路１２との接続部に設けられ、制御装置１０からの制御信号Ｓ３に応じて、空気排出路１２の弁開度及び空気再循環路１３の弁開度がそれぞれ制御される。すなわち、制御装置１０は三方弁１２０の弁開度を制御する。
【００３６】
三方弁１２０は、オフガスを燃料電池２３に再循環させる場合、オフガスの一部が空気再循環路１３に送出されるように空気再循環路１３の弁開度が制御される。これにより、三方弁１２０は、空気再循環路１３及び外部へ流出するオフガスの流出量を弁開度により調整する。また、三方弁１２０は、オフガスを排気する場合、オフガスが外部に排出されるように空気再循環路１３の弁開度及び空気排出路１２の弁開度が制御される。
【００３７】
背圧弁１２２は、燃料電池のスタックの内部の圧力を弁開度により調整する。背圧弁１２２の弁開度は、後述するように制御装置１０により制御される。
【００３８】
空気再循環路１３は、空気排出路１２上の三方弁１２０と第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａに接続されている。空気再循環路１３は、再循環路の一例であり、オフガスの少なくとも一部を空気排出路１２から空気供給路１１へ導くことにより、オフガスを燃料電池２３に再循環させる。
【００３９】
空気再循環路１３は、オフガスの逆流を防止するための逆止弁１３０が設けられている。このため、空気供給路１１から空気排出路１２に空気が逆流することはない。
【００４０】
このように、実施例の燃料電池システムには２つのエアコンプレッサ１１１，１１２が設けられており、その間の空気供給路１１ａに空気再循環路１３が接続されている。このため、制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１から第２エアコンプレッサ１１２に圧送される空気の圧力と空気再循環路１３から空気供給路１１に導入されるオフガスの圧力との差分が所定値Ｋ以下となるように、第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比を制御する。
【００４１】
これにより、制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１から第２エアコンプレッサ１１２に圧送される空気の圧力を、空気再循環路１３から空気供給路１１に導入される空気の圧力に近づける。
【００４２】
したがって、実施例の燃料電池システムによると、オフガスの圧力を空気再循環路１３内で高める必要がない。仮に空気再循環路１３を、符号１９ａで示されるように第２エアコンプレッサ１１２の下流側の空気供給路１１に接続した場合、第２エアコンプレッサ１１２により圧力が高められた空気にオフガスを合流させるため、空気再循環路１３に別のエアコンプレッサを設けてオフガスを圧縮する必要がある。このため、空気再循環路１３ｂ内のエアコンプレッサにより消費電力が増加する。
【００４３】
また、実施例の燃料電池システムによると、オフガスの圧力を空気再循環路１３内で低下させる必要もない。仮に空気再循環路１３を、符号１９ｂで示されるように第１エアコンプレッサ１１１の上流側の空気供給路１１に接続した場合、オフガスの圧力により空気導入口１１０からの空気の導入が阻害されるおそれがあるため、空気再循環路１３内でオフガスを減圧する必要がある。この場合、減圧されたオフガスは第１エアコンプレッサ１１１により再び圧縮されるため、やはり消費電力が増加する。
【００４４】
制御装置１０は、空気供給路１１ａ内の空気と空気再循環路１３から流入するオフガスの圧力差を低減するため、オフガスを空気再循環路１３から空気供給路１１ａにスムーズに流入させることができる。また、空気供給路１１内の空気は２つのエアコンプレッサ１１１，１１２により圧縮されるため、エアコンプレッサ１１１，１１２として、それぞれ、空気の圧縮量の小さい小型のものを用いることができ、その消費電力の増加を抑えることができる。
【００４５】
よって、実施例の燃料電池システムによると、消費電力を増加させることなく、オフガスを再循環させることができる。
【００４６】
さらに、オフガスには発電で生じた水分が含まれているため、オフガスを空気供給路１１ａに流入させることにより下流側の第２エアコンプレッサ１１２を冷却することができる。下流側の第２エアコンプレッサ１１２は、上流側の第１エアコンプレッサ１１１より吸入空気及び排出空気の温度が高いため、装置内の温度も第１エアコンプレッサ１１１より高くなる。このため、オフガスにより第２エアコンプレッサ１１２を冷却することにより、燃料電池システムを動作が、より安定化する。なお、燃料電池２３に再循環されたオフガス中の水分は、第２エアコンプレッサ１１２の冷却だけでなく、電解質膜２３ｂの加湿にも用いられる。
【００４７】
図２は、燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。まず、インピーダンス測定器２３０及び温度測定器２３１の少なくとも一方が測定を行う（ステップＳｔ１）。測定された温度Ｔ及びインピーダンスＺの少なくとも一方は制御装置１０に出力される。
【００４８】
次に、制御装置１０は、温度Ｔ及びインピーダンスＺの少なくとも一方に基づき燃料電池２３が乾燥状態であるか否かを判定する（ステップＳｔ２）。制御装置１０は、例えば本判定処理にインピーダンスＺを用いる場合、インピーダンスＺが所定の閾値Ｚｏより大きいとき、燃料電池２３が乾燥状態であると判定する。また、制御装置１０は、本判定処理に温度Ｔを用いる場合、温度Ｔが所定の閾値Ｔｏより大きいとき、燃料電池２３が乾燥状態であると判定する。なお、制御装置１０は、インピーダンスＺと温度Ｔの両方により本判定処理を実行してもよく、さらに、燃料電池２３の湿度などの他のパラメータを用いて本判定処理を実行してもよい。
【００４９】
制御装置１０は、燃料電池２３が乾燥状態ではない場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、処理を終了する。また、制御装置１０は、燃料電池２３が乾燥状態である場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、空気再循環路１３のオフガスに要求される流量を算出する（ステップＳｔ３）。このとき、データベース１０１には、例えばインピーダンスＺ及び温度Ｔの少なくとも一方に応じたオフガスの流量が登録されており、制御装置１０はデータベース１０１を参照することにより乾燥の度合いに応じたオフガスの流量を算出する。これにより、制御装置１０は、乾燥状態を解消するために最適なオフガスの流量を算出する。
【００５０】
次に、制御装置１０は、オフガスに要求される流量に応じた空気再循環路１３内の圧力損失ΔＰ（＜０）を算出する（ステップＳｔ４）。このとき、データベース１０１には、例えば空気再循環路１３内のオフガスの流量に応じた圧力損失ΔＰが登録されており、制御装置１０はデータベース１０１を参照することによりオフガスの流量に応じた圧力損失ΔＰを算出する。
【００５１】
次に、圧力測定器１２１は、燃料電池２３のカソード側の出口のオフガスの圧力Ｐｏｕｔを測定する（ステップＳｔ５）。次に、圧力測定器１１３は、第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａの圧力Ｐｉｎを測定する（ステップＳｔ６）。測定された圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔは制御装置１０に出力される。なお、圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔの測定処理は、上記とは逆の順序で行われてもよい。
【００５２】
次に、制御装置１０は、空気供給路１１ａの圧力Ｐｉｎと、オフガスの圧力Ｐｏｕｔに圧力損失ΔＰを加算した値との差分（以下、「再循環圧力差」と表記）が所定値Ｋより小さいか否かを判定する（ステップＳｔ７）。より具体的には、制御装置１０は、｜Ｐｉｎ−（Ｐｏｕｔ＋ΔＰ）｜により再循環圧力差を算出して、所定値Ｋと比較する。
【００５３】
所定値Ｋは、オフガスが空気再循環路１３から空気供給路１１ａにスムーズに流入するために十分な再循環圧力差として決定される。所定値Ｋは、例えば圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔの揺らぎ及び測定の誤差や圧力損失ΔＰの算出の誤差に基づき、一例として０．５〜１．０（kPa）程度に設定される。このため、本判定処理において、空気供給路１１ａの空気の圧力Ｐｉｎと、空気再循環路１３から空気供給路１１ａの空気に合流するオフガスの圧力（Ｐｏｕｔ＋ΔＰ）とがほぼ等しいか否かが判定される。
【００５４】
また、制御装置１０は、再循環圧力差が所定値Ｋ以上である場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、再循環圧力差が減少するように第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比を制御する（ステップＳｔ８）。すなわち、制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１から第２エアコンプレッサ１１２に圧送される空気の圧力と空気再循環路１３から空気供給路１１に導入されるオフガスの圧力の差分が所定値Ｋ以下となるように、第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比を制御する。これにより、空気供給路１１ａの空気の圧力Ｐｉｎと、空気再循環路１３から空気供給路１１ａの空気に合流するオフガスの圧力（Ｐｏｕｔ＋ΔＰ）とがほぼ等しくなるため、上述したように、オフガスの空気供給路１１ａ内の空気への合流がスムーズとなる。
【００５５】
次に、制御装置１０は、制御後の第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比に基づき第２エアコンプレッサ１１２の圧縮比を制御する（ステップＳｔ９）。これにより、制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比の制御により空気供給路１１ａの空気の圧力が変化しても燃料電池２３の発電能力が維持されるように、燃料電池２３のカソード側の入口に導かれる空気の圧力を一定に保つことができる。その後、ステップＳｔ５〜Ｓｔ７の各処理が再び実行される。
【００５６】
制御装置１０は、再循環圧力差が所定値Ｋより小さい場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、要求される流量のオフガスが空気再循環路１３に流入するように三方弁１２０の弁開度を制御する（ステップＳｔ１０）。このため、オフガスの少なくとも一部が空気供給路１１に再循環され、残りが外部に排出される。
【００５７】
次に、インピーダンス測定器２３０及び温度測定器２３１の少なくとも一方が測定を行う（ステップＳｔ１１）。測定された温度Ｔ及びインピーダンスＺの少なくとも一方の値は制御装置１０に出力される。次に、制御装置１０は、温度Ｔ及びインピーダンスＺの少なくとも一方に基づき燃料電池２３が乾燥状態であるか否かを判定する（ステップＳｔ１２）。なお、ステップＳｔ１１，Ｓｔ１２の各処理は、上記のステップＳｔ１，Ｓｔ２の各処理と同様に実行される。
【００５８】
制御装置１０は、燃料電池２３が乾燥状態である場合（ステップＳｔ１２のＹｅｓ）、再びステップＳｔ１１，Ｓｔ１２の各処理を実行する。また、制御装置１０は、燃料電池２３が乾燥状態ではない場合（ステップＳｔ１２のＮｏ）、オフガスが外部に排出されるように三方弁１２０の弁開度を制御する（ステップＳｔ１３）。より具体的には、制御装置１０は、三方弁１２０に対し、外部と連通する空気排出路１２の弁が開放され、空気再循環路１３の弁が閉塞されるように制御する。
【００５９】
このように、制御装置１０は、燃料電池２３の乾燥状態が解消されることを条件として、三方弁１２０の流路を空気排出路１２に切り替える。このため、制御装置１０は、適切なタイミングでオフガスの再循環を停止することができる。なお、制御装置１０は、これに限定されず、例えば、タイマなどでオフガスの再循環の実行時間を計時し、実行時間が所定値に達したときに、再循環が停止するように三方弁１２０を制御してもよい。
【００６０】
本実施例の燃料電池システムは、オフガスの一部をそのまま再循環させるが、以下のように、外部に排出されるオフガス中の水分を液水貯留装置に貯留しておき、貯留した水分量が所定量より多くなったときに水分をオフガスとともに再循環させてもよい。
【００６１】
図３は、燃料電池システムの他例を示す構成図である。図３において、図１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお。図３には、燃料電池２３のアノード側に設けられた構成が示されていないが、図１に示された構成と同様である。
【００６２】
燃料電池２３のカソード側には、酸化剤ガスの一例である空気を供給するための空気供給路１１ｂと、発電に使用した空気を含むオフガスを排出するための空気排出路１２ａ，１２ｂと、空気排出路１２ａのオフガスの一部を分岐させて再循環させる空気再循環路１３ａ，１３ｂとが接続されている。空気供給路１１ｂには、空気導入口１１０、第１エアコンプレッサ１１１、及び第２エアコンプレッサ１１２が、この順に接続されている。
【００６３】
また、第１エアコンプレッサ１１１及び第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａには、空気再循環路１３ａ，１３ｂ及び圧力測定器１１３が接続されている。なお、空気供給路１１ｂは供給路の一例であり、空気再循環路１３ａ，１３ｂは再循環路の一例である。
【００６４】
また、空気排出路１２ａ，１２ｂ及び空気再循環路１３ａ，１３ｂには、オフガスから水分を分離して貯留する液水貯留装置３が接続されている。上流側の空気排出路１２ａは燃料電池２３のカソード側の出口から液水貯留装置３まで延び、空気排出路１２ｂは液水貯留装置３から外部へと延びる。
【００６５】
上流側の空気排出路１２ａには上流側三方弁１２０ａが接続されており、下流側の空気排出路１２ｂには背圧弁１２２が接続されている。背圧弁１２２の弁開度は制御装置１０の制御信号Ｓ４により制御される。背圧弁１２２は、オフガスを排気する場合に開放される。
【００６６】
上流側三方弁１２０ａの弁開度は制御装置１０の制御信号Ｓ３により制御される。より具体的には、上流側三方弁１２０ａは、制御信号Ｓ３に応じて空気再循環路１３ａの弁開度と空気排出路１２ａの弁開度がそれぞれ制御される。上流側三方弁１２０ａは、オフガスの少なくとも一部を燃料電池２３に再循環させる場合、要求量のオフガスが空気再循環路１３ａ経由で液水貯留装置３に送出されるように弁開度が調整され、オフガスを排気する場合、オフガスが空気排出路１２ａ経由で液水貯留装置３に送出されるように弁開度が調整される。
【００６７】
液水貯留装置３は、空気排出路１２ａ，１２ｂ経由で外部に排出されるオフガスから水分を取り出して貯留する。液水貯留装置３は、空気供給路１１ｂのうち、空気導入口１１０から第１エアコンプレッサ１１１まで延びる部分との熱交換によりオフガスから水分を取り出し貯留する。液水貯留装置３は、貯留した水分を上流側の空気再循環路１３ａから流入するオフガスの圧力により下流側の空気再循環路１３ｂに導出する。
【００６８】
また、液水貯留装置３には、貯留されている水分の水位Ｌを測定する水位測定器３０と、燃料電池２３のカソード側の出口のオフガスの圧力Ｐｏｕｔを測定する圧力測定器３１とが設けられている。測定された水位Ｌ及び圧力Ｐｏｕｔの値は制御装置１０に出力される。なお、液水貯留装置３の構造については後述する。
【００６９】
下流側の空気再循環路１３ｂは、液水貯留装置３から第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａまで延びる。つまり、空気再循環路１３ａ，１３ｂは、オフガスの一部を空気排出路１２ａから空気供給路１１へ導くことにより、オフガスを燃料電池２３に再循環させる。
【００７０】
空気再循環路１３ｂには下流側三方弁１３１と逆止弁１３０が接続されている。下流側三方弁１３１は、空気再循環路１３ｂ及び貯留水排出路１７に接続され、制御装置１０の制御信号Ｓ５により空気再循環路１３ｂの弁開度及び貯留水排出路１７の弁開度がそれぞれ制御される。
【００７１】
貯留水排出路１７は、下流側の空気排出路１２ｂに接続され、液水貯留装置３に貯留された水分を空気排出路１２ｂ経由で排出する。貯留水排出路１７には排水弁１７０が設けられ、排水弁１７０の弁開度は制御装置１０の制御信号Ｓ６により制御される。液水貯留装置３の水分を排出する場合、排水弁１７０は開放され、下流側三方弁１３１は、水分が貯留水排出路１７経由で排出されるように制御される。制御装置１０は、例えば水位測定器３０で測定された水位Ｌに応じて、液水貯留装置３に貯留された水分が排出されるように下流側三方弁１３１及び排水弁１７０の弁開度を制御する。
【００７２】
図４は、液水貯留装置３の一例を示す図である。より具体的には、図４には液水貯留装置３の側面視の断面が示されている。
【００７３】
液水貯留装置３は、外部に排出されるオフガスから水分を分離する分離部３ａと、分離部３ａにより分離されたオフガス中の水分を貯留する貯留部３ｃと、分離部３ａと貯留部３ｃを接続する接続部３ｂとを有する。また、分離部３ａには水位測定器３０及び圧力測定器３１が設けられている。
【００７４】
分離部３ａは、例えば上面視で円筒形状の容器であり、その上面において空気排出路１２ａ，１２ｂと接続されている。また、分離部３ａの外周面には、熱交換が行われるように空気供給路１１ｂが巻きつけられている。このため、上流側の空気排出路１２ａから分離部３ａに導入されたオフガスは、空気導入口１１０からの空気により冷却され、オフガス中の水分が取り出される。
【００７５】
分離部３ａの素材としては、効果的な熱交換を行うため、熱伝導性及び耐腐食性が高いものが好ましい。このような素材としては、ステンレス、アルミニウム、チタン、及び銅などの金属や、ガラス、石英、及び酸化アルミニウムなどの無機材料や、ポリプロピレン及びポリカーボネートなどの有機材料や、上記の金属、無機材料、及び有機材料の複合物が挙げられる。また、空気供給路１１ｂの素材としては熱伝導性が高いものが好ましく、分離部３ａと同様の素材を用いることができる。
【００７６】
水分の分離はオフガスを外部に排出するときに行われる。このとき、上流側三方弁１２０ａは、オフガスの流出先の流路を空気排出路１２ａとする。このとき、制御装置１０は、オフガスの全量が空気排出路１２ａに流れるように制御する必要はなく、液水貯留装置３の水分の排出量に応じて上流側三方弁１２０ａの空気排出路１２ａ及び空気再循環路１３ａの各々の弁開度の比を適切な値に調整する。
【００７７】
また、オフガスを外部に排出するとき、制御装置１０は、燃料電池２３の内部の圧力が適切な値に調整するため、背圧弁１２２の弁開度を制御する。このため、燃料電池２３から排出されたオフガスは、上流側の空気排出路１２ａから分離部３ａに導入され、空気供給路１１ｂ内の空気との熱交換により水分を分離された後、下流側の空気排出路１２ｂ経由で外部へと排出される。
【００７８】
接続部３ｂは、例えば円筒形状を有し、水分を分離部３ａから貯留部３ｃに導く。分離部３ａの下面の中心には接続部３ｂの開口面が接続されている。分離部３ａの下面には、その外周から中心に向かって傾斜した傾斜面が設けられている。このため、水分の液面が分離部３ａに達していない場合、水分は接続部３ｂを通り貯留部３ｃへと流入する。
【００７９】
貯留部３ｃは、例えば円筒形状を有し、その両側面において空気再循環路１３ａ，１３ｂと接続され、上面において接続部３ｂの下側の開口面と接続されている。貯留部３ｃは、分離部３ａから流入した水分を貯留する（符号Ｗ参照）。
【００８０】
圧力測定器３１は、分離部３ａ内の圧力Ｐｏｕｔを測定し、その値を制御装置１０に出力する。制御装置１０は、先の実施例と同様に、圧力Ｐｏｕｔに基づき第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比を制御する。
【００８１】
また、水位測定器３０は、分離部３ａ内の水位Ｌを測定し、その値を制御装置１０に出力する。制御装置１０は、水位Ｌを所定値Ｌｏ，Ｌｍ（Ｌｍ＞Ｌｏ）と比較して、その比較結果に応じた処理を行う。
【００８２】
制御装置１０は、燃料電池２３が乾燥状態ではない場合、つまり燃料電池２３が湿潤状態である場合、水位Ｌが所定値Ｌｍ（＞Ｌｏ）を超えたとき、貯留部３ｃ内の水分量が過剰に多いと判定して、水分の排出処理（以下、「貯留水排出処理」と表記）を行う。制御装置１０は、貯留水排出処理において、排水弁１７０を開放し、上流側三方弁１２０ａの弁開度を水位Ｌに応じて制御する。
【００８３】
より具体的には、制御装置１０は、排水弁１７０を開放し、水位Ｌと所定値Ｌｍの差分（｜Ｌ−Ｌｍ｜）に応じて、上流側三方弁１２０ａの空気再循環路１３ａ側の弁開度を制御する。これにより、貯留部３ｃ内の水分が水位Ｌに応じた量だけ貯留水排出路１７経由で排出される。
【００８４】
また、制御装置１０は、燃料電池２３が乾燥状態である場合、水位Ｌが所定値Ｌｏを超えたとき、貯留部３ｃ内の水分量が燃料電池２３の加湿に十分な量であると判定して、再循環処理を行う。このため、制御装置１０は、液水貯留装置３の水分量が適切な量となったときに再循環処理を実行することができる。
【００８５】
制御装置１０は、再循環処理において、上流側三方弁１２０ａの弁開度を制御することによりオフガスの少なくとも一部を空気排出路１２ａから空気再循環路１３ａに導入し、下流側三方弁１３１の弁開度を制御することにより貯留部３ｃ内の水分の流出先の流路を貯留水排出路１７から空気再循環路１３ｂに切り替える。これにより、オフガスが空気再循環路１３ａから貯留部３ｃに流入するため、そのオフガスの圧力により貯留部３ｃ内の水分が空気再循環路１３ｂを経由して、第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａに導かれる。
【００８６】
このとき、空気供給路１１ａには、図１の実施例の場合より多くの水分が空気供給路１１ａに導入されるため、燃料電池２３の加湿及び第２エアコンプレッサ１１２の冷却を図１の実施例の場合より効果的に行うことが可能である。なお、空気供給路１１ａに導入される水分量は、上流側三方弁１２０ａの弁開度や開放時間を制御することにより適切な値とされることが好ましい。これは、仮に過剰に多い水分が導入されると、燃料電池２３にフラッディングが生じることでその性能が低下する場合や、第２エアコンプレッサ１１２が急激に冷却されることにより破損する場合が考えられるためである。
【００８７】
図５は、燃料電池システムの動作の他例を示すフローチャートである。図５において、図２と共通する処理については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８８】
制御装置１０は、燃料電池２３が湿潤状態である場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、貯留水の処理を実行し（ステップＳｔ１４）、燃料電池２３が乾燥状態である場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、ステップＳｔ３以降の処理を実行する。なお、貯留水の処理については後述する。
【００８９】
また、圧力Ｐｏｕｔ，Ｐｉｎの測定の結果、再循環圧力差が所定値Ｋより小さい場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、水位測定器３０は分離部３ａ内の水位Ｌを測定する（ステップＳｔ９ａ）。測定された水位Ｌの値は制御装置１０に出力される。
【００９０】
次に、制御装置１０は水位Ｌを所定値Ｌｏと比較する（ステップＳｔ９ｂ）。制御装置１０は、比較の結果、Ｌ≦Ｌｏの場合（ステップＳｔ９ｂのＮｏ）、処理を終了する。また、制御装置１０は、Ｌ＞Ｌｏの場合（ステップＳｔ９ｂのＹｅｓ）、要求される量のオフガスが空気排出路１２ａから空気再循環路１３ａに流入するように上流側三方弁１２０ａの弁開度を制御する（ステップＳｔ１０ａ）。
【００９１】
次に、制御装置１０は、下流側三方弁１３１の下流側の流路を貯留水排出路１７から空気再循環路１３ｂに切り替える（ステップＳｔ１０ｂ）。これにより、液水貯留装置３内の水分が空気再循環路１３ａ，１３ｂ経由で空気供給路１１ａに導入される。
【００９２】
制御装置１０は、燃料電池２３が湿潤状態であると判定した場合（ステップＳｔ１２のＮｏ）、下流側三方弁１３１の下流側の流路を空気再循環路１３ｂから貯留水排出路１７に切り替える（ステップＳｔ１３ａ）。次に、制御装置１０は、オフガスが空気排出路１２ａから外部に排出されるように上流側三方弁１２０ａの弁開度を制御する（ステップＳｔ１３ｂ）。このようにして、制御装置１０は動作する。
【００９３】
図６は、貯留水排出処理の一例を示すフローチャートである。本処理は図５のステップＳｔ１４の処理に該当する。
【００９４】
まず、水位測定器３０は分離部３ａ内の水位Ｌを測定する（ステップＳｔ２１）。測定された水位Ｌの値は制御装置１０に出力される。
【００９５】
次に、制御装置１０は水位Ｌを所定値Ｌｍと比較する（ステップＳｔ２２）。制御装置１０は、比較の結果、Ｌ≦Ｌｍの場合（ステップＳｔ２２のＮｏ）、処理を終了する。また、制御装置１０は、Ｌ＞Ｌｍの場合（ステップＳｔ２２のＹｅｓ）、排水弁１７０を開放する（ステップＳｔ２３）。次に、制御装置１０は、上流側三方弁１２０ａの開度を水位Ｌに応じ制御する（ステップＳｔ２４）。
【００９６】
例えば、制御装置１０は、水位Ｌと所定値Ｌｍの差分に応じて上流側三方弁１２０ａの空気排出路１２ａ側及び空気再循環路１３ａ側の開度の比を制御する。これにより、水位Ｌに応じた量の水分が、貯留水排出路１７経由で排出される。
【００９７】
次に、水位測定器３０は分離部３ａ内の水位Ｌを測定する（ステップＳｔ２５）。測定された水位Ｌの値は制御装置１０に出力される。
【００９８】
次に、制御装置１０は水位Ｌを所定値Ｌｍと比較する（ステップＳｔ２６）。制御装置１０は、比較の結果、Ｌ＞Ｌｍの場合（ステップＳｔ２６のＹｅｓ）、再びステップＳｔ２４の処理を実行する。また、制御装置１０は、Ｌ≦Ｌｍの場合（ステップＳｔ２６のＮｏ）、排水弁１７０を閉塞する（ステップＳｔ２７）。
【００９９】
このようにして、貯留水排出処理は実行される。貯留水排出処理により、液水貯留装置３に貯留された水分量が過剰に多くなることが防止される。
【０１００】
これまで述べた実施例では、燃料電池２３が乾燥状態である場合にオフガスの再循環処理が実行されるが、これに限定されない。以下の実施例のように、燃料電池２３が乾燥状態であるか否かに関わらず、オフガスの再循環処理が実行されてもよい。
【０１０１】
図７は、この場合の燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。本動作は、例えば周期的に繰り返し実行される。なお、本例では図１の燃料電池システムの動作を挙げて説明するが、図３の燃料電池システムの場合の同様の動作が行われる。
【０１０２】
まず、圧力測定器１１３は、第１エアコンプレッサ１１１と第２エアコンプレッサ１１２の間の空気供給路１１ａの圧力Ｐｉｎを測定する（ステップＳｔ３１）。次に、圧力測定器１２１は、燃料電池２３のカソード側の出口のオフガスの圧力Ｐｏｕｔを測定する（ステップＳｔ３２）。測定された圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔは制御装置１０に出力される。なお、圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔの測定処理は、上記とは逆の順序で行われてもよい。
【０１０３】
次に、制御装置１０は、圧力Ｐｉｎと圧力Ｐｏｕｔの差分ΔＰ’（＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を算出する（ステップＳｔ３３）。次に、制御装置１０は、圧力Ｐｉｎと圧力Ｐｏｕｔの差分ΔＰ’に応じたオフガスの再循環量（空気再循環路１３内のオフガスの流量）を算出する（ステップＳｔ３４）。このとき、データベース１０１には、例えば圧力Ｐｉｎと圧力Ｐｏｕｔの差分ΔＰ’に応じたオフガスの再循環量が登録されており、制御装置１０はデータベース１０１を参照することによりオフガスの再循環量を算出する。
【０１０４】
次に、制御装置１０は、算出した再循環量のオフガスが空気再循環路１３に流入するように三方弁１２０の弁開度を制御する（ステップＳｔ３５）。このため、オフガスの少なくとも一部が空気供給路１１に再循環され、残りが外部に排出される。このようにして、燃料電池システムは動作する。
【０１０５】
本例によると、算出された再循環量分のオフガスが空気供給路１１の空気と合流することにより、その空気と実質的に同一の圧力となる。これにより、先の実施例と同様に、圧力Ｐｉｎと圧力Ｐｏｕｔの差分ΔＰ’が所定値Ｋ以下となるように制御される。
【０１０６】
このように、制御装置１０は、圧力Ｐｉｎと圧力Ｐｏｕｔの差分ΔＰ’が所定値Ｋ以下となるように、三方弁１２０の弁開度を制御する。したがって、本実施例においても、先の実施例と同様に、オフガス及びオフガス中の水分が燃料電池２３及び第２エアコンプレッサ１１２に適切に供給されるため、第２エアコンプレッサ１１２の冷却及び燃料電池２３の加湿が可能である。
【０１０７】
また、制御装置１０は、第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比と三方弁１２０の弁開度の両方を制御してもよい。この場合、制御装置１０は、例えば、オフガスの再循環量に基づき第１エアコンプレッサ１１１の圧縮比を制御し、その後、各種の測定誤差やばらつきなどにより生ずる圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔの微細なずれに応じてオフガスの再循環量が補正されるように、三方弁１２０の弁開度を制御する。
【０１０８】
三方弁１２０の弁開度の制御の応答性は、一般的にエアコンプレッサ１１１，１１２の圧縮比の制御の応答性より良いため、制御装置１０は、良好な応答性で第２エアコンプレッサ１１２の冷却及び燃料電池２３の加湿を所望の条件が満たされるように制御することができる。
【０１０９】
また、これまで述べた実施例において、三方弁１２０は、空気再循環路１３における空気排出路１２との接続部に設けられているが、空気再循環路１３における空気供給路１１との接続部に設けられてもよい。この場合でも、制御装置１０は、三方弁１２０の空気再循環路１３側の弁開度を制御することにより、オフガスの少なくとも一部を空気供給路１１ａに導入することができるため、先の実施例と同様の効果が得られる。
【０１１０】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０                                           制御装置
１１，１１ａ，１１ｂ                            空気供給路
２３                                            燃料電池
１３，１３ａ，１３ｂ                            空気再循環路
１１１                                          第１エアコンプレッサ
１１２                                          第２エアコンプレッサ
【図１】
2018026243.tif 000003
【図２】
2018026243.tif 000004
【図３】
2018026243.tif 000005
【図４】
2018026243.tif 000006
【図５】
2018026243.tif 000007
【図６】
2018026243.tif 000008
【図７】
2018026243.tif 000009