(57)【要約】【課題】空気供給管から分岐する分岐管内を流れる空気を有効に利用する。【解決手段】燃料電池システムは、水素ガスと空気中の酸素ガスとにより発電する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック内の空気通路の入口に連結された空気供給管４１と、空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサ４４と、空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管４６と、カソードオフガス管内に配置され、空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４８と、ターボコンプレッサ下流の空気供給管から分岐する分岐管７５と、空気供給管から燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁７１、４７と、分岐管内に配置され、分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置７０と、酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置７３と、を備える。【選択図】図１
2016115622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、
前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、
前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、
前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、
前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、
を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタック内の乾燥状態が検知又は予測されたとき、乾燥状態を解消するために、
前記カソードオフガス制御弁により、前記空気通路の圧力を高め、
前記酸素富化装置により、前記酸素富化空気を生成し、
前記供給装置により、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給して前記酸素富化空気を含む空気を形成し、
前記分岐流れ制御弁により、前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給する、
請求項１に記載音燃料電池システム。
【請求項３】
前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び空気吐出流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、前記圧力比が低くかつ前記空気吐出流量が多い側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じない非サージング領域が区画されると共に、前記圧力比が高くかつ前記空気吐出流量が少ない側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じうるサージング領域が区画されており、
前記空気通路の圧力を高めたとき、前記ターボコンプレッサの動作点が、前記サージング領域に含まれるときには、前記非サージング領域に含まれるように前記ターボコンプレッサから吐出される空気の流量を前記目標空気流量よりも増量分だけ増量し、前記増量分の空気を前記酸素富化装置へ供給して前記酸素富化空気を生成する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックへ供給される酸素流量を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量に応じて定まる目標酸素流量以上に維持しつつ、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸素富化空気を含む空気の流量を前記酸素富化空気が供給されない場合の前記目標空気流量よりも減少させる、
請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸素富化装置は、空気中の窒素よりも酸素が透過し易い酸素透過膜を用いて酸素富化空気を生成する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記供給装置は、
前記酸素富化装置に形成された酸素富化空気の出口と、前記ターボコンプレッサ上流の前記空気供給管とに連結された戻り管と、
前記戻り管内に配置され、前記酸素富化装置で形成された酸素富化空気を前記空気供給管へ圧送する圧送装置と、
を更に備える、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分岐流れ制御弁は、
前記空気供給管と前記分岐管との分岐点よりも下流側の前記空気供給管に配置された流量調整弁と、
前記酸素富化装置よりも上流側の前記分岐管に配置されたゲート弁と、
を含む、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、
前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、
前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、
前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、
前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成することが可能な酸素富化装置と、
前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、
を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタック内の乾燥状態が検知又は予測されたとき、乾燥状態を解消するために、
前記カソードオフガス制御弁により、前記空気通路の圧力を高めるステップと、
前記酸素富化装置により、前記酸素富化空気を生成するステップと、
前記供給装置により、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給して前記酸素富化空気を含む空気を形成するステップと、
前記分岐流れ制御弁により、前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給するステップと、
を備える、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記ターボコンプレッサの入口の圧力に対する出口の圧力の比である圧力比及び空気吐出流量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、前記圧力比が低くかつ前記空気吐出流量が多い側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じない非サージング領域が区画されると共に、前記圧力比が高くかつ前記空気吐出流量が少ない側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じうるサージング領域が区画されており、
前記空気通路の圧力を高めるステップは、
前記空気通路の圧力を高めたとき、前記ターボコンプレッサの動作点が、前記サージング領域に含まれるときには、前記非サージング領域に含まれるように前記ターボコンプレッサから吐出される空気の流量を前記目標空気流量よりも増量分だけ増量するステップを含み、
前記酸素富化空気を生成するステップは、
前記増量分の空気を前記酸素富化装置へ供給して前記酸素富化空気を生成するステップを含む、
請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給するステップにおいて、
前記燃料電池スタックへ供給される酸素流量を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量に応じて定まる目標酸素流量以上に維持しつつ、前記燃料電池スタックへ供給される前記酸素富化空気を含む空気の流量を前記酸素富化空気が供給されない場合の前記目標空気流量よりも減少させる、
請求項８又は９に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、前記酸素富化装置に形成された酸素富化酸素の出口と、前記ターボコンプレッサ上流の前記空気供給管とに連結された戻り管と、前記戻り管内に配置された圧送装置とを更に備え、
前記燃料電池システムの制御方法は、
前記圧送装置により、前記酸素富化装置で形成された酸素富化空気を前記空気供給管へ圧送するステップを更に備える
請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記目標空気流量と前記燃料電池スタックの温度とに基づいて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を検知又は予測するステップを更に備える、
請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスと空気との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、空気供給管内に配置され、空気を圧送するコンプレッサと、空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガス管内に配置され、空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、を備えた、燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
燃料電池スタックでは、燃料電池スタック内で水分が減少して、乾燥状態が発生する場合がある。例えば、燃料電池スタック内に形成された空気流路の入口近傍の領域では、空気の流速が比較的速いため、空気に持ち去られる水分が比較的多い。そのため、例えば燃料電池スタックの発電量が少ないとき、すなわち水分の生成が少ないときには空気に持ち去られる水分が生成水よりも多くなり、乾燥状態が起き易い。そこで、特許文献１の燃料電池スタックでは、空気流路入口近傍の水分が減少したときには、例えば燃料電池スタックへ供給する空気の流量を少なくして、空気に持ち去られる水分を少なくしたり、空気流路内の圧力を高くして、空気中の水分を凝縮したりしている。
【０００４】
ここで、コンプレッサとしてターボコンプレッサを用いている場合、ターボコンプレッサから吐出される空気の流量を少なくし、空気の圧力を高く設定すると、ターボコンプレッサから実際に吐出される空気の流量及び空気供給管内の圧力がそれぞれ大きく振動する、いわゆるサージングが発生するおそれがある。サージングの発生を抑制する方法としては、ターボコンプレッサから吐出される空気流量を、燃料電池スタックの目標空気流量よりも多い量に設定する方法が考えられる。その場合、燃料電池システムでは、ターボコンプレッサ下流の空気供給管から分岐する分岐管が更に設けられ、目標空気流量の空気が燃料電池スタックに供給されると共に、残りの空気、すなわち余剰の空気が分岐管内に流れ込むようにされる。分岐管内に流れ込んだ余剰の空気はマフラを介して又はそのまま外部へ排出される。このような燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給される空気の流量を少なく維持しつつ、ターボコンプレッサから吐出される空気流量を多くすることで、乾燥状態を抑制しながらサージングの発生を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１０４９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記の燃料電池システムでは、上述されたように、分岐管内に流れ込んだ空気はマフラを介して又はそのまま外部へ排出される。すなわち、分岐管内に流れ込んだ余剰の空気は何ら利用されることなく外部へ排出されてしまう。したがって、上記の燃料電池システムでは、余剰の空気の有するエネルギを有効に利用することができない。分岐管内を流れる空気のエネルギを有効に利用できる技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の観点によれば、水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成する酸素富化装置と、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、を備える、燃料電池システムが提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によれば、水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、前記空気供給管内に配置され、空気を圧送するターボコンプレッサと、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記空気通路の圧力を制御するカソードオフガス制御弁と、前記ターボコンプレッサ下流の前記空気供給管から分岐する分岐管と、前記空気供給管から前記燃料電池スタックに流れ込む空気の流量と前記分岐管内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と、前記分岐管内に配置され、前記分岐管内に流れ込んだ空気から酸素濃度の高い酸素富化空気を生成することが可能な酸素富化装置と、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給する供給装置と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタック内の乾燥状態が検知又は予測されたとき、乾燥状態を解消するために、前記カソードオフガス制御弁により、前記空気通路の圧力を高めるステップと、前記酸素富化装置により、前記酸素富化空気を生成するステップと、前記供給装置により、前記酸素富化空気を前記空気供給管に供給して前記酸素富化空気を含む空気を形成するステップと、前記分岐流れ制御弁により、前記生成された酸素富化空気を含む空気を、前記酸素富化空気が供給されない場合の前記燃料電池スタックへの目標空気流量よりも減少させつつ、前記燃料電池スタックへ供給するステップと、を備える、燃料電池システムの制御方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
空気供給管から分岐する分岐管内を流れる空気のエネルギを有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】酸素富化装置の断面図である。
【図３】乾燥抑制のための空気通路内の目標圧力のマップを示す図である。
【図４】ターボコンプレッサの特性を模式的に示すグラフである。
【図５】目標空気吐出流量の算出方法を説明するグラフである。
【図６】サージング抑制のための余剰分のマップを示す図である。
【図７】酸素富化空気の酸素濃度及び流量のマップを示す図である。
【図８】空気配管中の各位置での流量、圧力及び酸素濃度を示す図である。
【図９】空気供給制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】別の実施例の燃料電池システムの構成図である。
【図１１】更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。
【図１２】更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。
【図１３】更に別の実施例の目標空気吐出流量の算出方法を説明するグラフである。
【図１４】乾燥抑制のための余剰分のマップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを含む積層体を備える。積層体の各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。アノード極及びカソード極は、それぞれガス拡散層と電極触媒層とを含む。
【００１２】
燃料電池単セルのアノード極は一側に隣接する他の燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は他側に隣接する他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれ電気的に接続される。積層体の一端側の燃料電池単セルのアノード極と他端側の燃料電池単セルのカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。
【００１３】
また、燃料電池単セル内には、アノード極に水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に空気を供給するための空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セルの空気流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セルの冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び、冷却水通路５０がそれぞれ形成される。水素ガス通路３０、空気通路４０、及び、冷却水通路５０は、それぞれ水素ガス用マニホールド、空気用マニホールド、及び、冷却水用マニホールドを含む。
【００１４】
水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、水素ガス源３２は水素タンクから形成される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、水素ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ水素ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素ガス源３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器３７と、気液分離器３７に蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁３８が配置される。気液分離器３７の上部には水素ガス循環管８２の入口が連通され、水素ガス供給管３１における水素ガスインジェクタ３５よりも下流の箇所には水素ガス循環管８２の出口が連通される。水素ガス循環管８２内には、気液分離器３７内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する水素ガス循環ポンプ３９が配置される。水素ガス循環ポンプ３９が駆動されると、気液分離器３７に蓄積されたアノードオフガスが水素ガス供給管３１へ循環される。
【００１５】
また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源４２に連結される。図１に示される実施例では、空気源４２は大気から形成される。空気供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量を調整する流量調整弁４７とが配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。ターボコンプレッサ４４が駆動されると、空気供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも上流側の上流側空気供給管４１Ｕを介して吸入された空気が、空気供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも下流側の下流側空気供給管４１Ｄを介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内には上流側から順に、カソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの流量又は燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４８と、アノードオフガスを希釈するための希釈器８３とが配置される。図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。
【００１６】
また、図１に示される燃料電池システムＡには、下流側空気供給管４１Ｄから分岐する分岐管７５が設けられる。すなわち、下流側空気供給管４１Ｄに分岐管７５の入口が連結される。図１に示される実施例では、カソードオフガス制御弁４８下流のカソードオフガス管４６に分岐管７５の出口が連結される。言い換えると、下流側空気供給管４１Ｄとカソードオフガス管４６とは分岐管７５により互いに連結される。分岐管７５内には下流側空気供給管４１Ｄから分岐管７５内への流路の開閉を制御するゲート弁７１が配置されている。ターボコンプレッサ４４が燃料電池スタック１０へ供給すべき流量よりも多い空気を下流側空気供給管４１Ｄへ吐出するとき、燃料電池スタック１０へ供給すべき流量の空気は流量調整弁４７を介して燃料電池スタック１０へ供給され、残りの空気はゲート弁７１から分岐管７５へ供給される。したがって、流量調整弁４７及びゲート弁７１は、下流側空気供給管４１Ｄから燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量と分岐管７５内へ流れ込む空気の流量とを制御する分岐流れ制御弁と見ることができる。図示しない別の実施例では、ゲート弁７１の代わりに流量調整弁が配置され、流量調整弁４７の代わりにゲート弁が配置される。図示しない更に別の実施例では、ゲート弁７１の代わりに流量調整弁が配置され、流量調整弁４７の代わりに何も配置されない。
【００１７】
ゲート弁７１の下流側の分岐管７５内には、酸素富化装置７０が配置されている。酸素富化装置７０は、図２に示すように、酸素ガス及び窒素ガスのうちの一方を他方よりも透過し易い透過膜９０を有している。酸素富化装置７０は、空気を供給され、酸素ガス及び窒素ガスのうちの一方が透過膜を透過し、他方が透過しないことにより、酸素濃度の高い酸素富化空気と、窒素濃度が高い窒素富化空気とを生成する。透過膜としては例えば中空糸膜、分離膜及び富化膜が挙げられ、材料としては例えば高分子材料やセラミックス材料が挙げられる。図２に示す実施例では透過膜９０として酸素が窒素よりも透過し易い酸素透過膜を用いる。酸素富化装置７０には、空気を導入する空気入口９１と、酸素富化空気を送出する酸素富化空気出口９２と、窒素富化空気を排出する窒素富化空気出口９３とが形成されている。空気入口９１及び窒素富化空気出口９３には分岐管７５が連結されている。酸素富化空気出口９２には戻り管７６が連結され、戻り管７６は上流側空気供給管４１Ｕに連結されている。
【００１８】
したがって、酸素富化空気は戻り管７６に送出される。このとき、酸素富化装置７０は、ターボコンプレッサ４４が吐出する空気の圧力と戻り管７６内の圧力との圧力差、すなわち透過膜の一側と他側との圧力差により駆動され、酸素富化空気を生成する。言い換えると、酸素富化装置７０は分岐管７５へ分岐された空気のエネルギを利用して酸素富化空気を生成している。図１に示す実施例では、更に、戻り管７６内にはポンプ７３が配置されている。ポンプ７３は、戻り管７６内の酸素富化空気を吸引し、吸引された酸素富化空気を上流側空気供給管４１Ｕ側の戻り管７６へ圧送する。したがって、ポンプ７３により、酸素富化空気出口９２側の戻り管７６内の圧力をポンプ７３がない場合よりも低圧にでき、すなわち透過膜の一側と他側との圧力差をポンプ７３がない場合よりも大きくでき、それにより酸素富化空気中の酸素濃度をより高くできる。図示しない更に別の実施例では、ポンプ７３の代わりにブロアが配置される。図示しない更に別の実施例では、ポンプ７３は省略される。
【００１９】
一方、窒素富化空気は分岐管７５に排出される。酸素富化装置７０の下流側の分岐管７５内には、調圧弁７２が配置されている。調圧弁７２は酸素富化装置７０内の圧力を、酸素富化空気を生成するのに適した圧力に制御する。図示しない別の実施例では調圧弁７２は省略される。
【００２０】
ゲート弁７１が開弁され、空気供給管４１を流れる空気の少なくとも一部が燃料電池スタック１０へ向かわずに分岐管７５に流れ込むと、この空気から酸素富化装置７０が酸素富化空気及び窒素富化空気を生成する。酸素富化空気は、ポンプ７３により吸引され、戻り管７６を介して上流側空気供給管４１Ｕへ供給されて、外部から供給され上流側空気供給管４１Ｕ内を流れる空気に混合される。このように、戻り管７６とポンプ７３とは、酸素富化空気を上流側空気供給管４１Ｕに供給する供給装置と見ることができる。一方、窒素富化空気は、調圧弁７２により降圧されて、分岐管７５を介してカソードオフガス制御弁４８よりも下流側のカソードオフガス管４６へ供給される。
【００２１】
分岐管７５の出口下流のカソードオフガス管４６内には希釈器８３が設けられる。この希釈器８３にはアノードオフガス管３６の出口が連結される。アノードオフガス管３６の排出制御弁３８が例えば所定の周期で一時的に開弁されると、気液分離器３７に蓄積された液体、すなわち水分がアノードオフガスと共にアノードオフガス管３６から希釈器８３へ排出される。希釈器８３では、希釈器８３から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器８３に流入するカソードオフガスには、分岐管７５からの窒素富化空気も含まれる。
【００２２】
また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３下流であってラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。
【００２３】
電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。下流側空気供給管４１Ｄには下流側空気供給管４１Ｄ内の圧力を検出する圧力センサ８０が取り付けられる。また、酸素富化装置７０の酸素富化空気出口９２近傍の戻り管７６には戻り管７６内の圧力を検出する圧力センサ８４が取り付けられる。また、酸素富化装置７０には空気の温度を検出する温度センサ（図示されず）が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０に隣接する冷却水供給管５１には冷却水の温度を検出する温度センサ８１が取り付けられる。圧力センサ８０、圧力センサ８４、温度センサ（図示されず）、及び温度センサ８１の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガスインジェクタ３５、排出制御弁３８、水素ガス循環ポンプ３９、ターボコンプレッサ４４、流量調整弁４７、カソードオフガス制御弁４８、ゲート弁７１、調圧弁７２、ポンプ７３、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。
【００２４】
ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び水素ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−，（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。
【００２５】
図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値を目標電流値にするのに必要な水素ガス流量及び酸素ガス流量、すなわち目標水素ガス流量及び目標酸素ガス流量が求められ、目標酸素ガス流量に基づいて目標空気流量ＱＯＸＳが求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる水素ガス流量が目標水素ガス流量となるようにレギュレータ３４及び水素ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる空気流量が目標空気流量ＱＯＸＳとなるようにターボコンプレッサ４４及び流量調整弁４７が制御される。言い換えると、分岐管７５に空気が流れ込まないときには、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気流量の目標値、すなわち目標空気吐出流量ＱＯＸＰは、目標空気流量ＱＯＸＳに設定される。
【００２６】
ところで、燃料電池スタック１０では、運転条件によっては燃料電池スタック１０内で水分が減少して乾燥状態になる場合がある。例えば燃料電池スタック１０の運転が高負荷運転から低負荷運転に切り換えられた直後には、ターボコンプレッサ４４が目標空気流量ＱＯＸＳの空気を供給すると、燃料電池スタック１０が乾燥するおそれがある。これは、高負荷運転直後で燃料電池スタック１０の温度が比較的高く、すなわち水が蒸発し易く、加えて、低負荷運転開始で発電量が比較的少なく、すなわち燃料電池スタック１０で生成される水分が少ないからである。したがって、燃料電池スタック１０の運転条件を確認することで、燃料電池スタック１０が既に乾燥状態にあることを検知するか、又は、今後乾燥状態になるであろうことを予測することができる。すなわち、乾燥状態が発生し得る燃料電池スタック１０の温度範囲及び空気の流量範囲を予め実験等で確認し、それら温度範囲及び流量範囲のデータをＲＯＭ６２に予め記憶しておく。そして、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳがそれら温度範囲及び流量範囲にあるか否かを運転中に上記データを参照して確認することで、乾燥状態を検知又は予測することができる。
【００２７】
そこで、図１に示される燃料電池システムＡでは、上記の確認が運転中に適宜行われ、乾燥状態が検知又は予測された場合には、燃料電池スタック１０の乾燥を抑制し、所定量以上の水分が確保されるようにする乾燥抑制制御が行われる。すなわち、カソードオフガス制御弁４８の開度が一時的に小さくされる。その結果、空気流量が一時的に減少して、カソードオフガスにより持ち去られる水の量が低減される。また、燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力が高められる。その結果、空気通路４０内で凝縮する水の量が増大される。この乾燥抑制制御では、燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力が目標とする圧力になるようにカソードオフガス制御弁４８が調整される。ここで、乾燥抑制制御のための空気通路４０内の目標圧力ＰＢＡは、例えば燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳの関数として予め求められており、図３に示されるマップの形でＲＯＭ６２内に予め記憶されている。したがって、乾燥抑制制御では、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて図３に示されるマップから目標圧力ＰＢＡが取得され、空気通路４０内の圧力が目標圧力ＰＢＡになるようにカソードオフガス制御弁４８の開度が制御される。ただし、図１の実施例では、燃料電池スタック１０の温度としては温度センサ８１で検出される冷却水の温度が用いられ、空気通路４０内の圧力としては圧力センサ８０で検出される下流側空気供給管４１Ｄ内の圧力が用いられる。一方、燃料電池スタック１０で乾燥抑制制御を行わない運転、すなわち通常運転では、カソードオフガス制御弁４８は例えば全開とされる。図示しない別の実施例では、空気通路４０内の圧力を目標圧力ＰＢＡにするのではなく、空気通路４０内の圧力を所定の圧力だけ増加させ、例えば所定時間経過後も温度が下がらない場合など必要に応じて更に所定の圧力だけ増加させる。
【００２８】
ここで、乾燥を抑制するために、ターボコンプレッサ４４において空気流量が少なく維持され、空気の圧力が高く設定されると、サージングが発生するおそれがある。そこで図１に示す燃料電池システムＡでは、その場合、サージングが発生するおそれがある場合には、乾燥を抑制しつつサージングを回避するように、更にサージング抑制制御が行われる。すなわち、ターボコンプレッサ４４の目標空気吐出流量ＱＯＸＰを、目標空気流量ＱＯＸＳから増加させる。以下、図４及び図５を参照しながら、サージング抑制制御における、ターボコンプレッサ４４の目標空気吐出流量ＱＯＸＰの算出方法について説明する。図４及び図５はターボコンプレッサ４４の特性を示している。図４及び図５において、縦軸はターボコンプレッサ４４の入口における圧力に対するターボコンプレッサ４４の出口における圧力の比である圧力比を示しており、横軸はターボコンプレッサ４４から吐出される空気の流量を示している。なお、ターボコンプレッサ４４の入口における圧力は大気圧と考えることができる。一方、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力は圧力センサ８０により検出されると共に、カソードオフガス制御弁４８により制御される空気通路４０内の圧力に応じて定まる。
【００２９】
図４を参照すると、圧力比及び空気吐出流量により定まるターボコンプレッサ４４の作動状態領域（ターボコンプレッサ４４の動作点が属し得る領域）にサージング領域ＳＡと非サージング領域ＮＳＡとが区画される。サージング領域ＳＡは、空気吐出流量が限界吐出流量ＱＯＸＰＬよりも少ない領域であり、ターボコンプレッサ４４の作動状態、すなわち動作点がサージング領域ＳＡに属するときにはサージングが発生するおそれがある。例えば、ターボコンプレッサ４４の動作点がＥａで表されるとき、すなわち圧力比がＰｒａであり空気吐出流量がＱＯＸＰａであるときである。一方、非サージング領域ＮＳＡは、空気吐出流量が限界吐出流量ＱＯＸＰＬよりも多い領域であり、ターボコンプレッサ４４の動作点が非サージング領域ＮＳＡに属するときにはサージングが発生しない。例えば、ターボコンプレッサ４４の動作点がＥｂで表されるとき、すなわち圧力比がＰｒｂであり空気吐出流量がＱＯＸＰｂであるときである。ただし、限界吐出流量ＱＯＸＰＬは圧力比が大きくなるにつれて多くなる。したがって、ターボコンプレッサ４４には、圧力比が低くかつ空気吐出流量が多い側に非サージング領域ＮＳＡが区画されると共に、圧力比が高くかつ空気吐出流量が少ない側にサージング領域ＳＡが区画されている。
【００３０】
図５を参照すると、乾燥抑制制御により高く設定された空気の圧力に基づく圧力比Ｐｒ１のもとでターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量を上述した目標空気流量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の動作点はＥｓ１であり、サージング領域ＳＡ内に属している。この場合、圧力比Ｐｒ１のもとで、目標空気流量ＱＯＸＳにサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１を加算したものを目標空気吐出流量ＱＯＸＰに設定すれば、このときのターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｐ１は非サージング領域ＮＳＡ内に属することになる。ただし、動作点Ｅｐ１の目標空気吐出流量ＱＯＸＰは限界吐出流量ＱＯＸＰＬより大きければよく、したがって余剰分ΔＱＯＸ１は動作点Ｅｐ１の目標空気吐出流量ＱＯＸＰが限界吐出流量ＱＯＸＰＬより大きくなる任意の値に設定することができる。ここで、サージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１は例えば圧力比及び目標空気流量ＱＯＸＳの関数としてあらかじめ求められており、図６に示されるマップの形でＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。
【００３１】
そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、目標圧力ＰＢＡから算出された圧力比Ｐｒ１と目標空気流量ＱＯＸＳとにより定まるターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１がサージング領域ＳＡ内に属するか否かが判別され、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１がサージング領域ＳＡ内に属すると判別されたときには目標空気流量ＱＯＸＳに余剰分ΔＱＯＸ１を加算することにより目標空気吐出流量ＱＯＸＰが算出される（ＱＯＸＰ＝ＱＯＸＳ＋ΔＱＯＸ１）。この場合、図６のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。これに対し、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１が非サージング領域ＮＳＡ内に属すると判別されたときには目標空気吐出流量ＱＯＸＰが目標空気流量ＱＯＸＳに設定される。このようにすると、サージングの発生を抑制することができる。
【００３２】
目標空気吐出流量ＱＯＸＰが算出されると、ターボコンプレッサ４４から実際に吐出される空気流量が目標空気吐出流量ＱＯＸＰになるように、ターボコンプレッサ４４が制御される。
【００３３】
ここで、図５に示される実施例では、サージングの発生を抑制するために、目標空気吐出流量ＱＯＸＰが目標空気流量ＱＯＸＳよりも多く設定される。この場合、空気を目標空気吐出流量ＱＯＸＰだけ燃料電池スタック１０に供給すると、すなわち目標空気流量ＱＯＸＳよりも多量の空気を燃料電池スタック１０に供給すると、燃料電池スタック１０の例えば膜電極接合体２０が乾燥するおそれがある。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、目標空気流量ＱＯＸＳの空気が燃料電池スタック１０に送られ、かつ、余剰分ΔＱＯＸの空気が分岐管７５内に流れ込むように、流量調整弁４７及びゲート弁７１が制御される。酸素富化装置７０では、分岐管７５内に流れ込んだ空気から酸素濃度が高い酸素富化空気と、窒素濃度が高い窒素富化空気とが生成される。酸素富化空気は、ポンプ７３に吸引され、空気供給管４１へ圧送される。それにより、酸素富化空気が外気から導入された通常の空気と混合され、酸素富化空気を含む空気が形成されて、ターボコンプレッサ４４へ供給される。すなわち、ターボコンプレッサ４４が吐出する空気では、酸素富化空気と通常の空気とが混合され、酸素濃度が通常の空気よりも高くなる。一方、窒素富化空気は調圧弁７２を介してカソードオフガス管４６から外部へ排出される。
【００３４】
ここで、酸素富化装置７０から送出される酸素富化空気の酸素濃度及び流量は、酸素富化装置７０で用いる透過膜の特性（選択率、ガス透過係数）が既知の場合、空気入口９１での空気の流量と、空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差と、空気の温度と、空気入口９１での空気の酸素濃度とに基づいて計算することができる。ここでは、酸素富化空気の酸素濃度ＤＯＸ及び流量ＱＯＵＴが、例えば空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差ΔＰＤと、空気の温度ＴＡと、空気入口９１での酸素濃度ＤＩＮとの関数として、空気入口９１での空気の単位流量あたりの値として、予め求められており、図７に示されるマップの形でＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。図１に示す実施例では、空気入口９１での空気の流量として余剰分ΔＱＯＸの値が用いられ、空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差ΔＰＤとして圧力センサ８０の値と圧力センサ８４の値との差が用いられ、空気の温度ＴＡとして酸素富化装置７０の温度センサ（図示せず）の値が用いられ、空気の酸素濃度ＤＩＮの初期値として２１％が用いられる。そして、図７のマップの値を参照して、空気入口９１での空気の単位流量あたりの酸素富化空気の酸素濃度ＤＯＸ及び流量ＱＯＵＴが抽出され、それらの値に余剰分ΔＱＯＸを掛けることで、酸素富化装置７０から送出される酸素富化空気の酸素濃度及び流量が算出される。
【００３５】
その後、酸素濃度及び流量が計算された酸素富化空気が空気供給管４１に戻されて通常の空気と混合され、酸素濃度が高められた空気が生成されて、その一部が再び酸素富化装置７０に供給されて、再び酸素富化空気が生成される。このとき生成される酸素富化空気の酸素濃度及び流量は、上記方法で計算される。ただし、供給される空気の酸素濃度、すなわち空気入口９１での酸素濃度については、前回計算された酸素富化空気の酸素濃度及び流量と、ターボコンプレッサ４４の目標空気吐出流量ＱＯＸＰとに基づいて計算される。
【００３６】
以下、酸素富化空気と通常の空気との混合、及び、酸素富化空気の生成が繰り返される。その結果、酸素富化装置７０から送出される酸素富化空気の酸素濃度は概ね目標値に収束する。言い換えると、目標値に収束するようにポンプ７３により、空気入口９１と酸素富化空気出口９２との間の空気の圧力差が制御される。例えば、酸素濃度が目標値に達した場合、ポンプ７３による吸引を弱めて、酸素濃度がそれ以上高くならないようにする。それにより、ポンプ７３による不要なエネルギの消費を抑えることができる。
【００３７】
図８は、燃料電池システムＡにおける空気流量、空気圧力、及び酸素濃度の計算を行った位置Ｚ１〜Ｚ５を示す概略図である。ただし、計算において、空気入口９１での空気流量として余剰分ΔＱＯＸの値、空気入口９１の圧力として圧力センサ８０の値、酸素富化空気出口９２の圧力として圧力センサ８４の値、空気の温度として酸素富化装置７０の温度センサの値、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量として目標空気吐出流量ＱＯＸＰの値、酸素富化空気の濃度及び流量としては図７のマップの値、及び、通常の空気での酸素濃度の２１％と大気圧１０１ｋＰａ．ａｂｓを用いた。各位置での空気流量、空気圧力及び酸素ガス濃度は、位置Ｚ１では１０００ＮＬ／ｍｉｎ．、１０１ｋＰａ.ａｂｓ及び２１％であり、位置Ｚ２では１５００ＮＬ／ｍｉｎ．、１４３ｋＰａ.ａｂｓ及び３０％であり、位置Ｚ３では１０００ＮＬ／ｍｉｎ．、１４２ｋＰａ.ａｂｓ及び３０％であり、位置Ｚ４では５００ＮＬ／ｍｉｎ．、１４２ｋＰａ.ａｂｓ及び３０％であり、位置Ｚ５では５００ＮＬ／ｍｉｎ．、４２ｋＰａ.ａｂｓ及び４８％である。この場合、燃料電池スタック１０へ供給される空気中の酸素濃度は３０％であり、通常の空気の酸素濃度である２１％と比較して、約１．５倍高くなる。
【００３８】
上記のように、ターボコンプレッサ４４に供給され、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気では、酸素富化空気と通常の空気とが混合されているので、酸素濃度が通常の空気よりも高くなる。例えば、図８に示す例では、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気の酸素濃度は３０％になる。そのため、目標空気流量ＱＯＸＳを削減しないまま燃料電池スタック１０へ空気を供給すると、不必要に多くの酸素ガスを供給すること、すなわち目標酸素ガス流量より多くの酸素ガスを供給することになり、酸素ガスが無駄に消費されるおそれがある。そこで図１に示す実施例では、ターボコンプレッサ４４からその空気を圧送するときには、燃料電池スタック１０へ供給される酸素ガス流量が、酸素富化空気が供給されない場合の燃料電池スタック１０への目標酸素ガス流量以上となるように維持されつつ、燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量が、酸素富化空気が供給されない場合の目標空気流量よりも減少される。すなわち、図１に示す実施例では、燃料電池スタック１０へ供給される酸素の流量を目標酸素ガス流量以上に維持しつつ、燃料電池スタック１０へ供給されるその空気の流量を目標空気流量よりも削減するように、流量調整弁４７が制御される。その場合でも、目標酸素ガス流量は維持されるので、燃料電池スタック１０の発電には何ら影響はない。図８に示す例では、燃料電池スタック１０へ供給される酸素ガス流量を目標酸素ガス流量のまま維持する場合、燃料電池スタック１０へ供給する空気の流量を、通常の空気を用いた場合の目標空気流量よりも約３３％削減することができる。なお、ターボコンプレッサ４４から圧送される空気流量はサージング抑制制御のために目標空気吐出流量ＱＯＸＰに維持される。
【００３９】
この場合、燃料電池スタック１０に供給すべき空気流量が削減されるので、燃料電池スタック１０内での水分の持ち去りが減少して、乾燥状態の改善効果を向上させることができる。すなわち、分岐管７５内を流れる空気のエネルギを酸素富化装置７０で酸素富化空気を製造することに用いることで、乾燥状態の改善効果を高められる。このように本実施例では、燃料電池スタック１０内の乾燥状態を抑制しつつ、分岐管７５内を流れる空気の有するエネルギを有効に利用することができる。
【００４０】
また、水分の持ち去りが減少することから、カソードオフガス制御弁４８を調整して、燃料電池スタック１０での空気通路４０の圧力を高い状態から低い状態に下げることも可能である。その場合、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気の圧力を低減できるので、ターボコンプレッサ４４の駆動に要するエネルギを削減することができる。すなわち、酸素富化装置７０で酸素富化空気を製造することにより、燃料電池スタック１０内の乾燥状態を抑制するために必要なエネルギを削減できる。
【００４１】
図９は図１の燃料電池システムＡにおける空気供給制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。図９を参照すると、ステップ１００では目標電流値に基づいて、目標空気流量ＱＯＸＳが算出される。続くステップ１０１では燃料電池スタック１０の乾燥状態が検知又は予測される。すなわち、燃料電池スタック１０の温度が温度センサ８１により検出され、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、所定の温度範囲及び流量範囲のデータを参照して、乾燥状態が検知され又は予測されるか否かが判別される。乾燥状態が検知され又は予測されるときには、次いでステップ１０２に進み、図３に示されるマップを参照して、燃料電池スタック１０の温度及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、燃料電池スタック１０内の空気通路４０の目標圧力ＰＢＡが決定される。続くステップ１０３では空気通路４０の目標圧力ＰＢＡに基づいて圧力比が算出され、算出された圧力比及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、ターボコンプレッサ４４の動作点が決定される。続くステップ１０４では空気通路４０の圧力に基づき算出された圧力比及び目標空気流量ＱＯＸＳに基づいて、図５のグラフを示すデータを参照して、ターボコンプレッサ４４の動作点がサージング領域ＳＡにあるか否かが判別される。ターボコンプレッサ４４の動作点がサージング領域ＳＡであるときには次いでステップ１０５に進み、図６のマップからサージング抑制のための余剰分ΔＱＯＸ１が算出される。そして、目標空気吐出流量ＱＯＸＰが目標空気流量ＱＯＸＳと余剰分ΔＱＯＸ１との和に設定される。すなわち、ターボコンプレッサ４４の動作点が非サージング領域ＮＳＡに変更される。続くステップ１０６では、空気通路４０の圧力が目標圧力ＰＢＡになるようにカソードオフガス制御弁４８が調整され、目標空気流量ＱＯＸＳの空気が燃料電池スタック１０へ供給され、余剰分ΔＱＯＸ１の空気が酸素富化装置７０へ供給されるように流量調整弁４７が調整され、ゲート弁７１が開弁される。続くステップ１０７では、ターボコンプレッサ４４がステップ１０５で変更された動作点で駆動される。続くステップ１０８では、燃料電池スタック１０に供給される酸素富化空気を含む空気の酸素濃度が算出される。続くステップ１０９では、燃料電池スタック１０へ供給される酸素流量が、酸素富化空気が供給されない場合の燃料電池スタック１０への目標酸素流量以上に維持されつつ、燃料電池スタック１０へ供給される酸素富化空気を含む空気の流量が、酸素富化空気が供給されない場合の目標空気流量よりも削減される。これに対し、ステップ１０２で乾燥状態が検知され又は予測されないときには、次いでステップ１１０に進み、目標空気吐出流量が目標空気流量に設定され、それによりターボコンプレッサ４４の動作点が決定される。続くステップ１１１では、ステップ１０４でターボコンプレッサ４４の動作点が非サージング領域ＮＳＡであるときも含めて、空気通路４０の圧力が所定の圧力になるようにカソードオフガス制御弁４８が調整され、目標空気流量ＱＯＸＳの空気が燃料電池スタック１０へ供給されるように流量調整弁４７が調整され、空気が酸素富化装置７０へ供給されないようにゲート弁７１が開弁される。次いでステップ１１２ではターボコンプレッサ４４がステップ１１０又はステップ１０３で決定された動作点で駆動される。
【００４２】
次に、図１０を参照して燃料電池システムＡの別の実施例について説明する。この実施例では、乾燥状態の検知の方法が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００４３】
図１０に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の出力電流値及び出力電圧値を計測する出力センサ１６が設けられている。燃料電池スタック１０の乾燥状態の検知は、例えば、以下のようにして行う。燃料電池スタック１０の抵抗値を温度ごとに出力センサ１６で予め計測して基準値とする。そして、運転中において、水素ガスや空気の供給に異常がなく、計測した抵抗値がその基準値よりも所定の値以上大きい場合に、乾燥状態と判別する。
【００４４】
あるいは、図１０に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の空気通路４０の入口側に圧力センサ８０が設けられているだけでなく、出口側にも圧力センサ８４が設けられている。燃料電池スタック１０の乾燥状態の検知は、例えば、以下のようにして行う。空気通路４０の入口側の圧力と出口側の圧力との差、すなわち空気通路４０の圧損を圧力センサ８０、８４で予め計測して基準値とする。そして、運転中において、水素ガスや空気の供給に異常がなく、計測した圧損がその基準値よりも所定の値以上小さい場合に、乾燥状態と判別する。
【００４５】
これらの場合にも、図１の場合と同様の効果を奏することができる。
【００４６】
次に、図１１を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、空気供給管４１、分岐管７５及びカソードオフガス管４６における弁の構成が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００４７】
図１１に示される燃料電池システムＡでは、流量調整弁４７及びゲート弁７１の代わりに、分岐管７５の入口側に三方弁で形成された分岐流れ制御弁７１ａが配置されている。分岐流れ制御弁７１ａは、ターボコンプレッサ４４から酸素富化装置７０へ供給される空気の流量と燃料電池スタック１０へ供給される空気の流量とを制御する。例えば、ターボコンプレッサ４４のサージングを抑制する制御を行うときには、ターボコンプレッサ４４から供給される空気の一部が酸素富化装置７０へ供給され、残りが燃料電池スタック１０へ供給されるようにバルブ位置が制御される。一方、ターボコンプレッサ４４のサージングを抑制する制御を行わないときには、ターボコンプレッサ４４から供給される空気が酸素富化装置７０へ供給されず、燃料電池スタック１０のみへ供給されるようにバルブ位置が制御される。
【００４８】
また、カソードオフガス制御弁４８及び調圧弁７２の代わりに分岐管７５の出口側に三方弁で形成された分岐流れ制御弁７２ａが配置されている。分岐流れ制御弁７２ａは、空気通路４０内の圧力を制御し、また、分岐管７５から供給される窒素富化空気を空気通路４０の出口から送出されカソードオフガス管４６を流れるカソードオフガスに混合させる。例えば、燃料電池スタック１０の乾燥抑制制御を行うときには、空気通路４０内の圧力を高めるようなバルブ位置、すなわち燃料電池スタック１０から希釈器８３へ向かう流路側のバルブ開度が小さくなるようにして、空気通路４０内の圧力を高める。その場合、分岐管７５から希釈器８３へ向かう流路側のバルブ開度が大きくなり、酸素富化装置７０へ供給される空気の流量が増え得るが、酸素富化装置７０へ供給される空気の流量は分岐流れ制御弁７１ａの開度で制御される。一方、分岐流れ制御弁７２ａは、乾燥状態を抑制する制御を行わないときには、燃料電池スタック１０から希釈器８３へ向かう流路のバルブ開度が全開とされ、したがって分岐管７５から希釈器８３へ向かう流路側のバルブ開度が全閉とされる。
【００４９】
この場合にも図１の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、弁の数が減るので、製造コストを削減できる。
【００５０】
次に、図１２を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、燃料電池システムＡが水素ガス非循環式の燃料電池システムである点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００５１】
図１に示される燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口と水素ガス供給管３１とがアノードオフガス管３６及び水素ガス循環管８２で接続され、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給管３１へ循環されるシステム、すなわち水素ガス循環式の燃料電池システムである。一方、図１２に示される燃料電池システムＡは、水素ガス循環管８２及び水素ガス循環ポンプ３９が除かれている。すなわち、図１２示される燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口と水素ガス供給管３１とが分離され、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給管３１へ循環されないシステム、すなわち水素ガス非循環式の燃料電池システムである。水素ガス循環式の燃料電池システムでは循環する水素ガスにより持ち去られた水分が再び燃料電池スタックへ運ばれ得るが、水素ガス非循環式の燃料電池システムでは水素ガスが循環しないため、持ち去られた水分は再び燃料電池スタックへ戻らず、したがって相対的に乾燥状態が発生し易い。しかし、図１２に示される水素ガス非循環式の燃料電池システムではこのような課題を解決することができる。
【００５２】
次に、燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、戻り管７６の出口側がカソードオフガス管４６に連結されていない点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００５３】
本実施例の燃料電池システムＡでは、戻り管７６の出口がカソードオフガス管４６に連結されず、他の配管や機器（図示せず）に連結されるか、又は、解放される。この場合にも図１の場合と同様の効果を奏することができる。加えて、戻り管７６の出口が他の配管や機器に連結されている場合には、窒素富化空気を他の用途に利用できる。
【００５４】
次に、図１３及び図１４を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、サージングを抑制する制御を行う必要がない場合でも酸素富化装置７０を用いる点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００５５】
図５に示す実施例では、圧力比Ｐｒ１のもとでターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量を上述した目標空気流量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ１はサージング領域ＳＡ内に属している。しかし、図１３示す実施例では、圧力比Ｐｒ２のもとでターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量を上述した目標空気流量ＱＯＸＳに設定した場合のターボコンプレッサ４４の動作点Ｅｓ２は非サージング領域ＮＳＡ内に属している。したがって、サージングを抑制する制御を行う必要が無く、よって圧力比Ｐｒ２のもとで、目標空気流量ＱＯＸＳに余剰分ΔＱＯＸ１を加算する必要はない。しかし、本実施例では、図１４に示す余剰分ΔＱＯＸ２を目標空気流量ＱＯＸＳに加算して、その余剰分ΔＱＯＸ２を酸素富化装置７０に供給するようにする。それにより、ターボコンプレッサ４４から吐出される空気の酸素濃度を高くして、燃料電池スタック１０へ供給される酸素ガスの目標酸素ガス流量を維持しつつ、燃料電池スタック１０へ供給される空気流量を目標空気流量よりも低減することができる。その結果、燃料電池スタック１０に供給すべき空気流量が削減されるので、燃料電池スタック１０内での水分の持ち去りが減少して、乾燥状態の改善効果を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
Ａ    燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
４１    空気供給管
４４    ターボコンプレッサ
４６    カソードオフガス管
４７    流量調整弁
４８    カソードオフガス制御弁４８
７０    酸素富化装置
７１    分岐流れ制御弁
７３    供給装置
７５    分岐管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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