JP2009289711A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化ガスの流量不足によるフラッディングを回避させる。
【解決手段】切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚは、空気供給流路３１の供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚと空気循環流路３３の循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚとの合流点に設けられ、燃料電池２の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに供給するガスを、コンプレッサ３０から供給される酸化ガスまたは気液分離器３６によって水分が回収された後の酸化オフガスのいずれか一方に切り換える。制御部４は、コンプレッサ３０から供給される酸化ガスの供給量が所定の下限値以下である場合に、切換弁を制御して、少なくとも一の供給流路からは酸化オフガスを供給させ、その他の供給流路からは酸化ガスを供給させるガス供給制御処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムでは、発電の際に燃料電池のカソード側で水が生成される。この生成水が過剰になると、燃料電池内のガス通路に水が溜まり、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下する。このため、燃料電池システムでは、ガス通路から生成水を効率良く排出させてフラッディングを回避させる必要がある。

下記特許文献１には、燃料電池内に複数の酸化ガス通路を設け、フラッディングが予想される条件下では、全ての酸化ガス通路を全開状態にし、各酸化ガス通路を流れる酸化ガスで生成水を排出させる技術が開示されている。また、下記特許文献２には、燃料電池から排出された酸化オフガスを再度燃料電池に循環供給可能な構成とし、フラッディングが発生した場合に、酸化オフガスの循環量を増大させることで過剰な水分を排出させる技術が開示されている。
特開２００３−２７２６７６号公報 特開２００７−４８５０７号公報

ところで、上記特許文献１では、低負荷時のように酸化ガスの供給量が少ないときに、全ての酸化ガス通路を全開にしてしまうと、酸化ガス通路ごとの酸化ガスの流量が不足するため、水分を効率良く排出させることができなくなり、フラッディングを招来してしまうおそれがある。これを解消するために、低負荷時に、酸化ガスのストイキ比であるエアストイキ比を上げて酸化ガスの供給量を増やすことも考えられる。しかしながら、この場合には、発電に寄与しない酸化ガスを供給することになるため、コンプレッサの消費電力を無駄に増大させてしまうことになる。また、上記特許文献２では、コンプレッサの上流側に酸化オフガスを循環させているため、酸化オフガスに含まれる水や酸等の不純物によってコンプレッサが劣化してしまうおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、酸化ガスの流量不足によるフラッディングを回避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。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサと、酸化ガス供給流路に含まれ、コンプレッサの下流側で燃料電池内の複数のガス通路に向けて分岐する複数の分岐供給流路と、燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、酸化オフガスから水分を回収する気液分離器と、酸化オフガス排出流路から分岐し、気液分離器によって水分が回収された後の酸化オフガスを分岐供給流路に循環させるための酸化オフガス循環流路と、分岐供給流路にそれぞれ設けられ、酸化ガスまたは酸化オフガスの供給を遮断または許容する弁と、コンプレッサから供給される酸化ガスの供給量が所定の下限値以下である場合に、上記弁を制御して、少なくとも一の分岐供給流路から酸化オフガスを供給させ、他の分岐供給流路からは酸化ガスを供給させるガス供給制御処理を実行する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、酸化ガスの流量不足が想定される場合に、燃料電池内の各ガス通路に酸化ガスを供給する複数の分岐供給流路のうち、少なくとも一の分岐供給流路から酸化オフガスを供給させることができる。これにより、酸化ガスに加えて酸化オフガスを燃料電池に供給させることができるため、燃料電池に供給するガス流量を増加させることができ、フラッディングを回避させることが可能となる。さらに、燃料電池に供給される酸化オフガスは、気液分離器によって水分が回収された後の乾燥度合いの高い酸化オフガスであるため、燃料電池内を迅速に乾燥させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、ガス供給制御処理を実行している際に、酸化オフガスを供給させる分岐供給流路を順次切り換えることとしてもよい。

これにより、乾燥度合いの高い酸化オフガスを異なる位置に設けられた分岐供給流路を介して燃料電池内に供給させることができるため、燃料電池内全体をまんべんなく乾燥させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、燃料電池内のガス通路のうちの酸化オフガスが供給されているガス通路の水分状態が所定の乾燥状態に移行したと判定された場合に、当該ガス通路に対応する分岐供給流路から酸化ガスを供給させ、他の分岐供給流路のうち少なくとも一の分岐供給流路から酸化オフガスを供給させることで、酸化オフガスを供給させる分岐供給流路を順次切り換えることとしてもよい。

これにより、乾燥度合いの高い酸化オフガスを供給する分岐供給流路を、供給先のガス通路が所定の乾燥状態に移行次第、順次切り換えていくことができるため、燃料電池内を効率良く乾燥させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の下限値を、現時点における酸化ガスの供給量のままで運転を継続した場合に燃料電池内の湿潤度合いが進行する酸化ガスの供給量のうちの最大の供給量にしてもよい。

これにより、酸化ガスの供給量が、燃料電池内の湿潤度合いが進行する供給量以下に低下しているときに、ガス供給制御処理を実行させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記酸化オフガス循環流路は、気液分離器によって水分が回収された後の酸化オフガスを分岐供給流路にそれぞれ循環させるための複数の分岐循環流路を有することとしてもよい。

これにより、分岐循環流路までは一の循環流路で構成することができるとともに、分岐循環流路ごとに気液分離器を設ける必要がないため、構成を簡素化させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記酸化オフガス排出流路は複数の排出流路で構成され、上記分岐供給流路および上記排出流路は、燃料電池内のガス通路ごとに設けられ、ガス通路を介してそれぞれ接続され、上記酸化オフガス循環流路は、分岐供給流路および排出流路ごとに設けられ、排出流路と分岐供給流路とをそれぞれ接続することとしてもよい。

これにより、乾燥度合いの高い酸化オフガスを、それぞれ一の酸化オフガス循環流路と分岐供給流路と排出流路とで形成される一連の流路で循環させることができるため、酸化オフガスが供給される燃料電池内のガス通路を迅速に乾燥させることができる。

本発明によれば、酸化ガスの流量不足によるフラッディングを回避させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

[第１実施形態]
まず、図１を参照して、第１実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、システム全体を統括制御する制御部４とを有する。なお、燃料電池システム１には、燃料ガスとしての水素を燃料電池に供給する水素ガス配管系が含まれる。本実施形態における燃料電池システム１は、酸化ガス配管系の構成に特徴があり、水素ガス配管系については一般的な構成を採用することができるため、その説明および図示を省略する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。一方のセパレータには、供給された酸化ガスが通る複数の酸化ガス通路（ガス通路）が形成され、他方のセパレータには、供給された水素ガスが通る複数の水素ガス通路が形成される。本実施形態では、説明の便宜のため、セパレータに三つの酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚが形成されていることとする。

酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３０と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３１（酸化ガス供給流路）と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３２（酸化オフガス排出流路）と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを空気供給流路３１に戻すための空気循環流路３３（酸化オフガス循環流路）と、を有する。

空気供給流路３１は、コンプレッサ３０の出口側に設けられた一の供給流路３１ｉと、この供給流路３１ｉから燃料電池２の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに向けて分岐する三つの供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚ（分岐供給流路）とを有する。供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚには、後述する遮断弁３４ｘ、３４ｙ、３４ｚと切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚ（弁）がそれぞれ設けられている。

空気排出流路３２は、燃料電池２の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚの下流側にそれぞれ設けられた三つの排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚと、これらの排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚが下流側に向けて合流した一の排出流路３２ｏとを有する。空気排出流路３２には、排出流路３２ｏを流れる酸化オフガスから水分を回収する気液分離器３６と、酸化オフガスの圧力を調整する調圧弁３７とが設けられている。

供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚと排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚは、燃料電池２内の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚごとに設けられている。そして、供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚと排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚは、それぞれ酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚを介して接続されている。

空気循環流路３３は、排出流路３２ｏから分岐する一の循環流路３３ｃと、この循環流路３３ｃから供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚに向けて分岐する三つの循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚ（分岐循環流路）とを有する。排出流路３２ｏからの分岐点は、気液分離器３６と調圧弁３７との間に設けられる。循環流路３３ｃには、空気循環流路３３内の酸化オフガスを加圧して空気供給流路３１側へ送り出す循環ポンプ３８が設けられている。空気循環流路３３内の分岐点は、循環ポンプ３８の下流側に設けられる。

各供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚに設けられた遮断弁３４ｘ、３４ｙ、３４ｚは、燃料電池２への酸化ガスの供給を遮断または許容する弁である。切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚは、供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚと循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚとの合流点に設けられ、燃料電池２に供給するガスを酸化ガスまたは酸化オフガスのいずれか一方に切り換える三方弁である。

この切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚは、制御部４の制御の下で動作し、コンプレッサ３０から供給された酸化ガスを燃料電池２に供給するか、燃料電池２から排出された酸化オフガスを燃料電池２に供給するかを切り換える。

切換弁３５の動作を具体的に説明する。切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚは、供給流路３１ｘｂ、３１ｙｂ、３１ｚｂ側に設けられた流出弁から酸化ガスを流出させる場合には、供給流路３１ｘａ、３１ｙａ、３１ｚａ側に設けられた第一流入弁を開弁状態とし、循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚ側に設けられた第二流入弁を閉弁状態にする。一方、切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚは、上記流出弁から酸化オフガスを流出させる場合には、上記第一流入弁を閉弁状態とし、上記第二流入弁を開弁状態にする。

なお、燃料電池２に供給するガスを酸化ガスまたは酸化オフガスのいずれか一方に切り換える手段は、切換弁３５には限定されない。酸化ガスまたは酸化オフガスの供給を遮断または許容する制御を行うことで、燃料電池２に供給するガスを酸化ガスまたは酸化オフガスのいずれか一方に切り換えることができる手段であればよい。

制御部４は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３０や循環ポンプ３８のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部４（制御手段）は、コンプレッサ３０から供給される酸化ガスの供給量が所定の下限値以下である場合に、切換弁３５ｘ、３５ｙ、３５ｚを制御して、供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚのうち、少なくとも一の供給流路から酸化オフガスを供給させ、その他の供給流路から酸化ガスを供給させるガス供給制御処理を実行する。なお、制御部４は、酸化ガスの供給量が所定の下限値よりも大きい場合には、全ての供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚから酸化ガスを供給させる。

上記所定の下限値としては、例えば、現時点の供給量のままで運転を継続した場合に燃料電池内の湿潤度合いが進行する酸化ガスの供給量のうちの最大の供給量を用いることができる。これにより、酸化ガスの供給量が、燃料電池内の湿潤度合いが進行する供給量以下に低下しているときに、ガス供給制御処理を実行させることができる。この所定の下限値は、予め実験等により求められ、メモリ４１に格納される。

なお、上記所定の下限値を燃料電池２の温度に応じて変更可能にすることとしてもよい。例えば、燃料電池の温度が低いほど所定の下限値を大きく設定し、ガス供給制御処理を発動し易くすることとしてもよい。これは、高温時には水分が蒸発し易く、水が溜まり難いのに比べ、低温時には水分が蒸発し難く、水が溜り易いためである。

ガス供給制御処理では、酸化ガスに加えて酸化オフガスを燃料電池２に供給することができるため、燃料電池２に供給するガス量を増大させることができる。すなわち、酸化ガスのストイキ比（以下、エアストイキ比という。）を上げることなく、燃料電池２に供給するガスの流量を増加させることができる。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池２での消費酸化ガス量に対する燃料電池２への供給酸化ガス量の余剰比をいう。

また、ガス供給制御処理では、一部の酸化ガス通路に酸素の少ない酸化オフガスを供給することになるが、酸化ガスの消費量が少ない低負荷時には、セルの全面で発電しなくても要求発電量を満たすことができるため、一部の酸化ガス通路に酸化ガスを供給するだけでも要求通りの出力性能を発揮することが可能となる。言い換えると、ガス供給制御処理が実行され、一部の酸化ガス通路に酸素の少ない酸化オフガスが供給されたとしても、低負荷時であれば、要求通りの出力性能を発揮することが可能となる。したがって、低負荷時にガス供給制御処理を実行しても出力性能を低下させることなく運転を継続することができる。ここでいう低負荷とは、予め定められた所定の負荷よりも低い負荷のことをいい、例えば、アイドリング時、低速走行時、回生制動時等の運転時における負荷が該当する。

また、コンプレッサ３０の下流側に酸化オフガスを流入させるため、酸化オフガスに含まれる水や酸等の不純物によってコンプレッサ３０が劣化するおそれもない。

ここで、燃料電池２から排出される酸化オフガスには、発電時に生成された水分が含まれる。したがって、酸化オフガスをそのまま燃料電池２に供給すると、燃料電池２内の水分が増加し、フラッディングが生じやすくなる。そこで、本願発明では、燃料電池２から排出された酸化オフガスを気液分離器３６に流入させ、この気液分離器３６で水分が回収された後の酸化オフガスを燃料電池２に供給している。これにより、乾燥度合いの高い酸化オフガスを燃料電池２に供給することができる。

また、酸化オフガスは、酸素の含有率が低いため、燃料電池２に酸化オフガスを供給しても発電がほとんど行われない。つまり、燃料電池２に酸化オフガスを供給しても水がほとんど生成されない。さらに、燃料電池２に供給される酸化オフガスは、上述したように乾燥度合いが高いため、酸化ガス通路内の水分を効率良く乾燥させることができる。これにより、酸化オフガスが供給される酸化ガス通路内を迅速に乾燥状態に移行させることができる。

一方、酸化ガスが供給される酸化ガス通路では、発電が行われて水が生成される。したがって、ガス供給制御処理の実行時のように、酸化ガスの流量が不足するときには生成水を排出することができずに、酸化ガス通路に水が溜まってしまうおそれがある。そこで、本願発明では、酸化オフガスを供給させる供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚを順次切り換えることで、酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚ内の乾燥度合いを均一化させることとした。

具体的に、制御部４は、ガス供給制御処理の実行を開始した後に、燃料電池２内の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚのうち、酸化オフガスが供給されている酸化ガス通路の水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かを判定する。制御部４は、所定の乾燥状態に移行したと判定した場合に、当該酸化ガス通路に対応する供給流路から酸化ガスを供給させ、その他の供給流路のうち少なくとも一の供給流路から酸化オフガスを供給させる。これにより、乾燥度合いの高い酸化オフガスを供給させる供給流路を、供給先の酸化ガス通路が所定の乾燥状態に移行次第、順次切り換えていくことができるため、燃料電池内全体をまんべんなく、かつ効率良く乾燥させることができる。

酸化ガス通路の水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かは、予め実験等により求められた乾燥時間マップを用いて判定することができる。具体的に説明すると、まず、制御部４は、ガスの流量と燃料電池の発電量を測定する。続いて、制御部４は、測定したガスの流量と燃料電池の発電量を用いて、予めメモリ４１に格納されている乾燥時間マップを参照する。続いて、制御部４は、乾燥時間マップから読み出された乾燥時間と、酸化オフガスの供給を開始してから経過した時間とを比較する。そして、制御部４は、経過時間が乾燥時間以上である場合に、酸化ガス通路の水分状態が乾燥状態に移行したと判定する。乾燥時間マップに含まれる乾燥時間は、酸化ガス通路の水分状態が乾燥状態に移行したか否かを判定するための基準値であり、予め実験などにより求められ、メモリ４１に格納される。なお、乾燥時間を求める要素は、ガスの流量や燃料電池の発電量には限定されない。例えば、燃料電池の温度等のように酸化ガス通路の乾燥時間に影響を与える要素を用いることができる。

また、酸化ガス通路の水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かは、酸化ガス通路のインピーダンスを用いて判定することもできる。具体的に説明すると、まず、制御部４は、例えば交流インピーダンス法により、酸化ガス通路の現在のインピーダンスを測定する。続いて、制御部４は、予めメモリ４１に格納されている乾燥状態判定用のインピーダンス（以下、乾燥インピーダンスという。）を読み出し、読み出した乾燥インピーダンスと、測定インピーダンスとを比較する。そして、制御部４は、測定インピーダンスが乾燥インピーダンス以上である場合に、酸化ガス通路の水分状態が乾燥状態に移行したと判定する。乾燥インピーダンスは、酸化ガス通路の水分状態が乾燥状態に移行したか否かを判定するための基準値であり、予め実験などにより求められ、メモリ４１に格納される。

また、酸化ガス通路の水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かは、酸化ガス通路の出口側に設けられた湿度センサの値を用いて判定することもできる。具体的に説明すると、まず、制御部４は、例えば湿度センサの検出値を読み取る。続いて、制御部４は、予めメモリ４１に格納されている乾燥状態判定用の湿度（以下、乾燥湿度という。）を読み出し、読み出した乾燥湿度と、検出値とを比較する。そして、制御部４は、検出値が乾燥湿度以上である場合に、酸化ガス通路の水分状態が乾燥状態に移行したと判定する。乾燥湿度は、酸化ガス通路の水分状態が乾燥状態に移行したか否かを判定するための基準値であり、予め実験などにより求められ、メモリ４１に格納される。

ここで、制御部４は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサ、電流センサ、圧力センサ、温度センサ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３０、遮断弁３４、切換弁３５および循環ポンプ３８等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムのガス供給制御処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、第1実施形態における燃料電池システムのガス供給制御処理について説明する。このガス供給制御処理は、酸化ガスの供給量が所定の下限値以下になったときに開始され、酸化ガスの供給量が所定の下限値を超えたときに終了する。つまり、ガス供給制御処理は、コンプレッサ３０から供給される酸化ガスの供給量が所定の下限値以下である場合に実行される。ここでは、説明の便宜のために、酸化オフガスを供給させる供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚを一流路ずつ順番に切り換える場合について説明するが、酸化オフガスを供給させる供給流路の流路数や切り換える順番は、これに限定されない。

最初に、ガス供給制御処理が開始されると、制御部４は、切換弁３５ｘを制御して、供給流路３１ｘから酸化オフガスを供給させ、供給流路３１ｙ、３１ｚから酸化ガスを供給させる（ステップＳ１０１）。

続いて、制御部４は、酸化ガス通路２１ｘの水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）に、制御部４は、切換弁３５ｘ、３５ｙを制御して、供給流路３１ｙから酸化オフガスを供給させ、供給流路３１ｘ、３１ｚから酸化ガスを供給させる（ステップＳ１０３）。

続いて、制御部４は、酸化ガス通路２１ｙの水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）に、制御部４は、切換弁３５ｙ、３５ｚを制御して、供給流路３１ｚから酸化オフガスを供給させ、供給流路３１ｘ、３１ｙから酸化ガスを供給させる（ステップＳ１０５）。

続いて、制御部４は、酸化ガス通路２１ｚの水分状態が所定の乾燥状態に移行したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）には、処理を上述したステップＳ１０１に移行する。

上述してきたように、第１実施形態における燃料電池システム１によれば、酸化ガスの流量不足が想定される場合に、燃料電池２の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに酸化ガスを供給する三つの供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚのうち、少なくとも一の供給流路から酸化オフガスを供給させることができる。これにより、酸化ガスに加えて酸化オフガスを燃料電池２に供給させることができるため、燃料電池２に供給するガス流量を増加させることができ、フラッディングを回避させることが可能となる。さらに、燃料電池２に供給される酸化オフガスは、気液分離器３６によって水分が回収された後の乾燥度合いの高い酸化オフガスであるため、燃料電池内を迅速に乾燥させることが可能となる。

また、第１実施形態における燃料電池システム１では、気液分離器３６、調圧弁３７および循環ポンプ３８をそれぞれ一つずつ設けるだけでよいうえ、空気排出流路３２および空気循環流路３３の一部を一の排出流路３２ｏおよび一の循環流路３３ｃで構成することができるため、システム構成の簡素化を図ることができる。

なお、上述した第１実施形態では、気液分離器３６を空気排出流路３２の排出流路３２ｏに設けているが、気液分離器３６を設ける場所はこれに限定されない。例えば、空気循環流路３３の循環流路３３ｃに設けることとしてもよい。この場合には、気液分離器３６を循環ポンプ３８の上流側に設けることになる。

[第２実施形態]
次に、図３を参照して、第２実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図３は、第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、空気排出流路３２と空気循環流路３３の一部の構成が相違する点である。以下にその相違点について説明する。

まず、第１実施形態における空気排出流路３２は、三つの排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚと一の排出流路３２ｏで構成されているのに対し、第２実施形態における空気排出流路３２は、三つの排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚで構成されている点で異なる。また、第２実施形態における空気排出流路３２には、気液分離器３６が設けられておらず、調圧弁３７ｘ、３７ｙ、３７ｚが排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚごとに合計三つ設けられている点でも異なる。

次に、第１実施形態における空気循環流路３３は、一の循環流路３３ｃと三つの循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚとで構成されているのに対し、第２実施形態における空気循環流路３３は、三つの循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚで構成されている点で異なる。また、第２実施形態における空気循環流路３３には、気液分離器３６ｘ、３６ｙ、３６ｚおよび循環ポンプ３８ｘ、３８ｙ、３８ｚが循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚごとにそれぞれ合計三つずつ設けられている点でも異なる。

空気排出流路３２および空気循環流路３３以外の構成については、第１実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略する。また、第２実施形態における燃料電池システムのガス供給制御処理は、第１実施形態における燃料電池システムのガス供給制御処理と同様であるため、その説明についても省略する。

第２実施形態における燃料電池システム１では、各供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚに酸化オフガスを供給させた場合に、燃料電池２内の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに供給されて排出された酸化オフガスを再度同じ供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚに循環供給させることができる。また、酸化オフガスが供給された酸化ガス通路では、上述したように水がほとんど生成されないうえ、酸化オフガスが循環流路を介して循環されるたびに、気液分離器３６ｘ、３６ｙ、３６ｚで酸化オフガスに含まれる水分が回収される。したがって、燃料電池２内の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに供給する酸化オフガスの乾燥度合いを循環のたびに高めることが可能となる。これにより、一の供給流路における酸化オフガスの供給時間を短縮させることが可能となり、燃料電池２全体の乾燥時間を短縮させることができる。

上述してきたように、第２実施形態における燃料電池システム１によれば、酸化ガスの流量不足が想定される場合に、燃料電池２の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚに酸化ガスを供給する三つの供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚのうち、少なくとも一の供給流路から酸化オフガスを供給させることができる。これにより、酸化ガスに加えて酸化オフガスを燃料電池２に供給させることができるため、燃料電池２に供給するガス流量を増加させることができ、フラッディングを回避させることが可能となる。さらに、燃料電池２に供給される酸化オフガスは、気液分離器３６ｘ、３６ｙ、３６ｚによって水分が回収された後の乾燥度合いの高い酸化オフガスであるため、燃料電池内を迅速に乾燥させることが可能となる。

また、乾燥度合いの高い酸化オフガスを、それぞれ一の循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚと供給流路３１ｘ、３１ｙ、３１ｚと排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚとで形成される一連の流路で循環させることができるため、酸化オフガスが供給される燃料電池内の酸化ガス通路２１ｘ、２１ｙ、２１ｚを迅速に乾燥させることができる。

なお、上述した第２実施形態では、気液分離器３６ｘ、３６ｙ、３６ｚを循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚに設けているが、気液分離器３６ｘ、３６ｙ、３６ｚを設ける場所はこれに限定されない。例えば、空気排出流路３２の排出流路３２ｘ、３２ｙ、３２ｚに設けることとしてもよい。この場合には、気液分離器３６ｘ、３６ｙ、３６ｚを、循環流路３３ｘ、３３ｙ、３３ｚへの分岐点よりも上流側に設けることになる。

なお、上述した各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 燃料電池システムのガス供給制御処理を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…制御部、２１ｘ，２１ｙ，２１ｚ…酸化ガス通路、３０…コンプレッサ、３１…空気供給流路、３１ｉ，３１ｘ，３１ｙ，３１ｚ…供給流路、３２…空気排出流路、３２ｏ，３２ｘ，３２ｙ，３２ｚ…排出流路、３３…空気循環流路、３３ｃ，３３ｘ，３３ｙ，３３ｚ…循環流路、３５ｘ，３５ｙ，３５ｚ…切換弁、３６，３６ｘ，３６ｙ，３６ｚ…気液分離器、３８，３８ｘ，３８ｙ，３８ｚ…循環ポンプ、４１…メモリ。

Claims (6)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   反応ガスのうちの酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
   前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
   前記酸化ガス供給流路に含まれ、前記コンプレッサの下流側で前記燃料電池内の複数のガス通路に向けて分岐する複数の分岐供給流路と、
   前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、
   前記酸化オフガスから水分を回収する気液分離器と、
   前記酸化オフガス排出流路から分岐し、前記気液分離器によって水分が回収された後の前記酸化オフガスを前記分岐供給流路に循環させるための酸化オフガス循環流路と、
   前記分岐供給流路にそれぞれ設けられ、前記酸化ガスまたは前記酸化オフガスの供給を遮断または許容する弁と、
   前記コンプレッサから供給される前記酸化ガスの供給量が所定の下限値以下である場合に、前記弁を制御して、少なくとも一の前記分岐供給流路から前記酸化オフガスを供給させ、他の前記分岐供給流路からは前記酸化ガスを供給させるガス供給制御処理を実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記ガス供給制御処理を実行している際に、前記酸化オフガスを供給させる前記分岐供給流路を順次切り換えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池内のガス通路のうちの前記酸化オフガスが供給されているガス通路の水分状態が所定の乾燥状態に移行したと判定された場合に、当該ガス通路に対応する前記分岐供給流路から前記酸化ガスを供給させ、他の前記分岐供給流路のうち少なくとも一の分岐供給流路から前記酸化オフガスを供給させることで、前記酸化オフガスを供給させる前記分岐供給流路を順次切り換えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記所定の下限値は、現時点における前記酸化ガスの供給量のままで運転を継続した場合に燃料電池内の湿潤度合いが進行する前記酸化ガスの供給量のうちの最大の供給量であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化オフガス循環流路は、前記気液分離器によって水分が回収された後の前記酸化オフガスを前記分岐供給流路にそれぞれ循環させるための複数の分岐循環流路を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化オフガス排出流路は複数の排出流路で構成され、
   前記分岐供給流路および前記排出流路は、前記燃料電池内のガス通路ごとに設けられ、前記ガス通路を介してそれぞれ接続され、
   前記酸化オフガス循環流路は、前記分岐供給流路および前記排出流路ごとに設けられ、前記排出流路と前記分岐供給流路とをそれぞれ接続することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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