JP2018032498A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の悪化を抑制しつつ加湿できる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス供給路とを連通した連通路と、前記連通路を開閉する開閉部材と、前記燃料電池内が乾燥状態にあるか否かを判定する判定部と、前記燃料電池内が乾燥状態ではないと判定された場合には、前記開閉部材を閉じ、前記燃料電池内が乾燥状態であると判定された場合には、前記開閉部材を間欠的に開閉する制御部と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池のカソード側に燃料ガスを供給することにより、カソード側の触媒で燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを反応させ、これにより水を生成して、燃料電池を加湿する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１７８９０２号公報

燃料電池を加湿するために消費される燃料ガスは、燃料電池の発電に寄与しない。このため、このような燃料ガスの消費量が増大すると燃費が悪化する可能性がある。

本発明の目的は、燃費の悪化を抑制しつつ加湿できる燃料電池システムを提供することである。

上記目的は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス供給路とを連通した連通路と、前記連通路を開閉する開閉部材と、前記燃料電池内が乾燥状態にあるか否かを判定する判定部と、前記燃料電池内が乾燥状態ではないと判定された場合には、前記開閉部材を閉じ、前記燃料電池内が乾燥状態であると判定された場合には、前記開閉部材を間欠的に開閉する制御部と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、燃費の悪化を抑制しつつ加湿できる燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの構成を示す説明図である。 図２は、制御ユニットが実行する加湿制御の一例を示すフローチャートである。 図３Ａは、出力電力に対応した燃料ガスの目標供給量を規定したマップの一例であり、図３Ｂは、目標供給量に対応した開閉弁の目標開弁期間及び目標閉弁期間を規定したマップの一例であり、図３Ｃは、出力電力に対応した目標開弁期間及び目標閉弁期間を規定したマップの一例であり、図３Ｄは、相対湿度及び温度に対応した目標供給量を規定したマップの一例である。 図４は、開閉弁を間欠的に開閉した場合での、燃料電池内のカソード側での燃料ガスの供給量と、燃料電池の電圧の変化を示したグラフである。 図５Ａ〜５Ｄは、それぞれ第１〜第４変形例の燃料電池システムの一部分の構成を示した説明図である。

図１は、燃料電池システム１の構成を示す説明図である。この実施例は、燃料電池システム１を車両に適用した例である。図１に示すように、燃料電池システム１は、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、電力系５０、及び制御ユニット６０を含む。燃料電池２０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する。酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガスとしての、酸素を含む空気を燃料電池２０に供給する。燃料ガス配管系４０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する。電力系５０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット６０は、システム全体を統括制御する。燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、複数のセルを積層したスタック構造を備えている。各セルは、電解質膜がアノード触媒層及びカソード触媒層に挟まれた膜電極接合体と、膜電極接合体を挟んだアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層と、膜電極接合体を挟んだアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層を挟んだアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとを備えている。

燃料電池２０には、出力電流及び電圧をそれぞれ検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂ、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃが取り付けられている。

酸化剤ガス配管系３０は、エアコンプレッサ３１、酸化剤ガス供給路３２、カソードオフガス流路３４、及びエアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１を有している。

エアコンプレッサ３１は、モータＭ１により駆動され、外気から取り込んだ酸素を含む空気である酸化剤ガスを圧縮して燃料電池２０のカソード極に供給する。モータＭ１には、その回転数を検出する回転数検出センサ３ａが取り付けられている。酸化剤ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２０のカソード極に導く。燃料電池２０のカソード極からは酸化剤ガス（酸化剤オフガス）がカソードオフガス流路３４を介して排出される。

カソードオフガス流路３４は、酸化剤ガス（酸化剤オフガス）をシステム外に排気し、カソード極出口付近には背圧調整弁Ａ１が配設されている。燃料電池２０から排出される酸化剤ガスの圧力、即ちカソード背圧は背圧調整弁Ａ１によって調圧される。カソードオフガス流路３４における燃料電池２０と背圧調整弁Ａ１の間には、カソード背圧を検出する圧力センサ３ｂが取り付けられている。

燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、気液分離器４６、及び水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２を有している。

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２０へ燃料ガスである水素ガスを供給するタンクである。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード側に導き、上流側から順にタンクバルブＨ１、水素調圧バルブＨ２、インジェクタＨ３が配設されている。これらバルブ及びインジェクタは、燃料電池２０へ燃料ガスを供給、遮断する電磁弁である。

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２０へ還流させ、上流側から順に気液分離器４６、水素循環ポンプ４５、及び不図示の逆止弁が配設されている。燃料電池２０から排出された未反応燃料ガスは、水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２０から排出された燃料ガス（燃料オフガス）や気液分離器４６内に貯留された水をシステム外に排気し、排気排水弁Ｈ５が配設されている。

また、燃料ガス供給路４２と酸化剤ガス供給路３２とを連通した連通路６１が設けられている。詳細には、連通路６１の一端は、インジェクタＨ３の下流側であり燃料ガス循環路４３の下流端が接続された燃料ガス供給路４２上の位置よりも上流側に接続され、連通路６１の他端は、酸化剤ガス供給路３２のエアコンプレッサ３１よりも下流側に接続されている。また、連通路６１には、連通路６１を開閉する開閉部材の一例である開閉弁Ｈ６が設けられている。開閉弁Ｈ６が開弁することにより、燃料ガス供給路４２から連通路６１を介して酸化剤ガス供給路３２に燃料ガスの一部が供給される。即ち、燃料ガスが燃料電池２０のカソード側に供給される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガスが流通する燃料ガス流路の一例である。開閉弁Ｈ６の開閉は制御ユニット６０により制御される。詳しくは後述する。

電力系５０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、及び補機モータＭ４を備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池２０からの直流電圧を調整してバッテリ５２に出力可能である。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２０の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能である。燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、その充電状態を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。

トラクションインバータ５３、補機インバータ５４は、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７１及び７２を駆動する。トラクションモータＭ３が回生を行う場合には、トラクションモータＭ３からの出力電力は、トラクションインバータ５３を介して直流電力に変換されてバッテリ５２に充電される。トラクションモータＭ３には、その回転数を検出する回転数検出センサ５ｂが取り付けられている。

制御ユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを含み、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御ユニット６０は、アクセルペダル８０の回動を検出するアクセルペダルセンサ８１、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検出センサ５ｂから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２０の発電を制御する。

ここで、図１に示すように、酸化剤ガス配管系３０には、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを加湿することによって、燃料電池２０を加湿する加湿器は設けられていない。このため、本実施例では、開閉弁Ｈ６を開弁することにより燃料ガス供給路４２から連通路６１及び酸化剤ガス供給路３２を介して燃料電池２０のカソード側に燃料ガスを供給することにより加湿する加湿制御が実行される。具体的には、燃料電池２０のカソード側に燃料ガスが供給されることにより、燃料電池２０のカソード触媒層で燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが反応して水が生成され、燃料電池２０が加湿される。この加湿制御は、制御ユニット６０のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される判定部及び制御部により実行される。詳しくは後述する。

図２は、制御ユニット６０が実行する加湿制御の一例を示すフローチャートである。尚、この加湿制御は、所定の時間毎に繰り返し実行される。

制御ユニット６０は、燃料電池２０の出力電流値に基づいて燃料電池２０内が乾燥状態であるか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、燃料電池２０の出力電流が所定の電流閾値を超えている場合には乾燥状態ではないと判定され、所定の電流閾値以下の場合には乾燥状態であると判定される。ここで所定の電流閾値とは、例えば燃料電池２０が湿潤状態でのアイドル運転状態での電流値である。アイドル運転状態のような低負荷状態の場合の方が、燃料電池２０内での発電による生成水量は少なく燃料電池２０内が乾燥状態になりやすいからである。

また、ステップＳ１の処理は、燃料電池２０の出力電力に基づいて実行してもよい。具体的には、燃料電池２０の出力電力が所定の電力閾値を超えている場合には乾燥状態ではないと判定され、所定の電力閾値以下の場合には乾燥状態であると判定されてもよい。出力電力が低い場合も、燃料電池２０内での発電による生成水量は少なく燃料電池２０内が乾燥状態になりやすいからである。尚、制御ユニット６０が燃料電池２０の出力電力を取得してステップＳ１の処理を実行する場合には、後述するステップＳ５の処理を省略してもよい。

また、ステップＳ１の処理は、燃料電池２０の出力電圧に基づいて実行されてもよい。具体的には、燃料電池２０の出力電圧が所定の電圧閾値以下の場合には乾燥状態ではないと判定され、所定の電圧閾値を超えている場合には乾燥状態であると判定されてもよい。出力電圧が高い場合も、燃料電池２０内での発電による生成水量は少なく燃料電池２０内が乾燥状態になりやすいからである。

また、ステップＳ１の処理は、燃料電池２０の出力電圧及び出力電流に基づいて実行されてもよい。具体的には、燃料電池２０の出力電流が所定の範囲内にあり、出力電圧が、その出力電流に対応した所定の電圧閾値以下の場合には乾燥状態であると判定され、所定の電圧閾値を超えている場合には乾燥状態ではないと判定してもよい。燃料電池２０の出力電流が所定の範囲内にある状態で出力電圧が比較的高い場合には、燃料電池２０は良湿潤状態であって発電効率が確保された状態であり、比較的低い場合には、燃料電池２０の発電効率が低下しており乾燥状態にあると推測できるからである。尚、この場合での電圧閾値は、燃料電池２０の所定の電流範囲内での電流値に対応しており、電流値が増大するほど、電圧閾値は低下するように設定される。燃料電池２０の電流電圧特性を考慮したものであり、出力電流が増大するほど出力電圧は低下するからである。

また、ステップＳ１の処理は、燃料電池２０のインピーダンスに基づいて実行されてもよい。例えば、インピーダンスの抵抗成分が所定の閾値以下の場合には乾燥状態ではないと判定され、所定の閾値を超えている場合には乾燥状態であると判定されてもよい。燃料電池２０が乾燥状態の場合には、燃料電池２０の電解質膜でのプロトン移動抵抗が増大して、インピーダンスの抵抗成分が増大するからである。ここでインピーダンスは、例えば交流インピーダンス法を用いて燃料電池２０のインピーダンスの抵抗成分を測定する。燃料電池２０に印加する電流の周波数が大きい場合（ω＝∞）、インピーダンスは電解質膜抵抗であり、これによって燃料電池２０内が乾燥状態であるか否かを判定できる。

ステップＳ１で否定判定の場合には、燃料電池２０内は乾燥状態ではないとして、制御ユニット６０は開閉弁Ｈ６を閉弁状態に維持する（ステップＳ３）。これにより、燃料ガスが燃料電池２０のカソード側に供給されることはない。

ステップＳ１で肯定判定の場合には、制御ユニット６０は電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂの検出値に基づいて燃料電池２０の出力電力Ｐを取得する（ステップＳ５）。次に制御ユニット６０は、出力電力Ｐに対応した、カソード側に供給する燃料ガスの目標供給量Ｑを算出する（ステップＳ７）。具体的には、制御ユニット６０は、出力電力Ｐに対応した燃料ガスの目標供給量Ｑを規定したマップを参照して、目標供給量Ｑを算出する。図３Ａは、出力電力Ｐに対応した燃料ガスの目標供給量Ｑを規定したマップの一例である。このマップは、制御ユニット６０のＲＯＭに予め記憶されている。出力電力Ｐが小さいほど目標供給量Ｑは大きく算出される。出力電力Ｐが小さいほど、乾燥の程度が大きく、乾燥を解消するために必要となる燃料ガスの供給量も多くなるからである。

次に制御ユニット６０は、目標供給量Ｑに基づいて開閉弁Ｈ６の目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを算出する（ステップＳ９）。具体的には、制御ユニット６０は、目標供給量Ｑに対応した開閉弁Ｈ６の目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを規定したマップを参照して、目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを算出する。図３Ｂは、目標供給量Ｑに対応した開閉弁Ｈ６の目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを規定したマップの一例である。このマップは、制御ユニット６０のＲＯＭに予め記憶されている。目標供給量Ｑが大きいほど、目標開弁期間ｔａは長く算出される。ここで、目標閉弁期間ｔｂは常に目標開弁期間ｔａよりも長く算出されるが、この理由については後述する。

尚、ステップＳ５、Ｓ７、及びＳ９においては、出力電力Ｐに基づいて目標供給量Ｑを算出し、目標供給量Ｑに基づいて目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを算出したがこれに限定されない。即ち、出力電力Ｐに基づいて直接的に目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを算出してもよい。図３Ｃは、出力電力Ｐに対応した目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを規定したマップの一例である。このようなマップを参照して目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを算出することができる。このマップは、制御ユニット６０のＲＯＭに予め記憶されている。このマップでは、出力電力Ｐが小さいほど目標開弁期間ｔａは長く算出される。出力電力Ｐが小さいほど乾燥の程度が大きく、乾燥を解消するために必要となる燃料ガスの供給量も多くなり、目標開弁期間ｔａも長くする必要があるからである。尚、図３Ｂ及び図３Ｃにおいて、目標閉弁期間ｔｂは、常に目標開弁期間ｔａよりも長く算出されるのであれば、目標閉弁期間ｔｂは一定であってもよいし、目標供給量Ｑが増大するほど短く算出されてもよいし、出力電力Ｐが増大するほど長く算出されてもよい。また、図３Ｂ及び図３Ｃにおいて、目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂの少なくとも一方を、燃料電池２０内の温度や相対湿度により補正して算出してもよい。

また、ステップＳ５において、燃料電池２０内の相対湿度Ｈと温度Ｔとを取得し、ステップＳ７において、相対湿度Ｈ及び温度Ｔに基づいて目標供給量Ｑを算出してもよい。図３Ｄは、相対湿度Ｈ及び温度Ｔに対応した目標供給量Ｑを規定したマップの一例である。このようなマップを参照して目標供給量Ｑを算出できる。このマップは、制御ユニット６０のＲＯＭに予め記憶されている。量Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ、温度Ｔが９０℃、８０℃、７０℃、６０℃の場合での目標供給量Ｑを規定している。温度Ｔが高い方が乾燥の程度が大きいため、目標供給量Ｑは多く算出され、相対湿度Ｈが高いほど乾燥の程度は小さいため、目標供給量Ｑは少なく算出される。尚、図３Ｄには、代表的な温度に対応した量Ｑ１〜Ｑ４のみを例示したものであり、実際にはこれら以外の温度に対応した等温度線が複数規定されている。例えば、温度Ｔが５０℃以下の場合には、相対湿度Ｈに関わらずに目標供給量Ｑはゼロとして算出される。尚、燃料電池２０内の温度Ｔは、温度センサ２ｃの検出値であってもよいし、燃料電池２０を冷却する冷却水の温度に基づいて推定してもよい。相対湿度Ｈは、例えば、燃料電池２０の出力電力と温度とに基づいて相対湿度を規定したマップを参照して取得してもよいし、燃料電池２０内に湿度センサを設けることにより相対湿度を取得してもよい。

次に制御ユニット６０は、開閉弁Ｈ６を開弁する（ステップＳ１１）。これにより、燃料電池２０のアノード側に供給されるべき燃料ガスのうちの一部が、連通路６１を介してカソード側に供給され、燃料電池２０内を加湿できる。

次に制御ユニット６０は、開閉弁Ｈ６を開弁してからカウントを開始した期間ｔ１が上述の目標開弁期間ｔａ以上となったか否かを判定する（ステップＳ１３）。否定判定の場合には、再度ステップＳ１１の処理が実行され、開閉弁Ｈ６が開弁状態に維持されて燃料ガスが燃料電池２０のカソード側に供給され続ける。

ステップＳ１３で肯定判定の場合には、制御ユニット６０は開閉弁Ｈ６を閉弁する（ステップＳ１５）。これにより、燃料電池２０のカソード側への燃料ガスの供給が停止される。次に制御ユニット６０は、開閉弁Ｈ６を閉弁してからカウントを開始した期間ｔ２が上述の目標閉弁期間ｔｂ以上となったか否かを判定する（ステップＳ１７）。否定判定の場合には、再度ステップＳ１５の処理が実行され、開閉弁Ｈ６は閉弁状態に維持される。

ステップＳ１７で肯定判定の場合には、再度ステップＳ１以降の処理が実行される。即ち、ステップＳ１で肯定判定である限り、開閉弁Ｈ６の開閉が繰り返され、開閉弁Ｈ６が間欠的に開閉され続ける。このように開閉弁Ｈ６が間欠的に開閉されて、燃料ガスが燃料電池２０のカソード側に間欠的に供給されることにより、燃料電池２０内が加湿されて乾燥状態が解消されると、開閉弁Ｈ６が閉弁され（ステップＳ３）、本制御は終了する。

次に、開閉弁Ｈ６を間欠的に開閉した場合での燃料電池２０のセル電圧について説明する。図４は、開閉弁Ｈ６を間欠的に開閉した場合での、燃料電池２０へのカソード側へ供給される燃料ガスの供給量と、燃料電池２０の電圧の変化を示したグラフである。図４において、曲線ＶＣは、燃料電池２０の電圧を示し、曲線ＨＣは燃料電池２０内のカソード側へ供給される燃料ガスの供給量を示している。開閉弁Ｈ６が目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂで間欠的に開閉することにより、カソード側への燃料ガスの供給量及び燃料電池２０の電圧は、昇降を繰り返す。目標開弁期間ｔａの期間内で燃料ガスの燃料電池２０のカソード側への供給量が上昇し、乾燥状態が一時的に解消されて発電効率が回復し、電圧が上昇する。目標閉弁期間ｔｂの期間内では、燃料ガスの燃料電池２０のカソード側への供給が停止されるため、一度解消された乾燥状態が再び徐々に乾燥し始め、発電効率が低下して、電圧が低下する。

図４に示すように、燃料電池２０内のカソード側への燃料ガスの供給量が上昇してから直ちに電圧が上昇する。この理由は、カソード触媒層で水素と酸素とが速やかに反応して水が生成されて直ちに加湿されるからである。これに対して、燃料電池２０内のカソード側の燃料ガスの供給量がゼロになってからは、電圧は徐々に低下する。この理由は、燃料電池２０内の生成水は、ある程度の時間を要して徐々に燃料電池２０から排出され、更に燃料電池２０の発電により新たに生成水も生じるため、燃料ガスの供給量がゼロになっても直ちに燃料電池２０内は乾燥しないからである。

このように燃料ガスを燃料電池２０内のカソード側に絶えず供給しなくても、間欠的に供給することにより、燃料電池２０内を十分に加湿できる。また、燃料ガスを間欠的に供給することにより、加湿に使用される燃料ガスの消費量を抑制できる。以上のように、燃費の悪化を抑制しつつ燃料電池２０を加湿することができる。

また、上述したように、開閉弁Ｈ６が間欠的に開閉されている期間において、目標閉弁期間ｔｂは目標開弁期間ｔａよりも長く設定される。このため、より燃料電池２０の加湿に使用される燃料ガスの消費量を抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。尚、目標閉弁期間ｔｂは必ずしも目標開弁期間ｔａよりも長くなくてもよい。開閉弁Ｈ６が間欠的に開閉すれば、燃費の悪化を抑制できるからである。

尚、開閉弁Ｈ６の目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂのそれぞれは、例えば１０秒以上である。ここで、インジェクタＨ３は間欠的に燃料ガスを噴射しており、インジェクタＨ３の噴射及び休止は一般的に数秒毎に切り替えられる。このため、例えば開閉弁Ｈ６を開弁状態に維持しつつインジェクタＨ３の間欠噴射により燃料電池２０のカソード側に燃料ガスを間欠的に供給することも考えられる。しかしながら、インジェクタＨ３の噴射及び休止は数秒毎に切り替えられるため、インジェクタＨ３から燃料ガスが噴射されて燃料電池２０が加湿された後の休止期間において、燃料電池２０が乾燥状態となる前に再びインジェクタＨ３から燃料ガスが噴射される。このため、燃料電池２０が乾燥状態ではないにも関わらず燃料電池２０のカソード側に燃料ガスが供給され、燃費が悪化する可能性がある。また、燃料電池２０のカソード側に燃料ガスを供給する際にはインジェクタＨ３の休止期間を通常時よりも長く設定することも考えられる。しかしながらこの場合、燃料電池２０のアノード側に発電に必要な燃料ガス量を十分に供給できずに、燃料電池２０の出力電力が低下する可能性がある。このため、本実施例のように、インジェクタＨ３とは別に開閉弁Ｈ６を設けて、インジェクタＨ３の噴射期間及び休止期間のそれぞれよりも長い目標開弁期間ｔａと目標閉弁期間ｔｂとを設定することにより、燃費の悪化を抑制しつつ燃料電池２０の出力電力の低下をも抑制して、燃料電池２０を加湿することができる。

上記実施例では、燃料電池２０が乾燥状態と判定されてから開閉弁Ｈ６が一度開閉された（ステップＳ１１、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１７）後に、再び燃料電池２０が乾燥状態であるか否かが判定され（ステップＳ１）、乾燥状態と判定された場合に再度開閉弁Ｈ６が開閉されるが、これに限定されない。例えば、乾燥状態と判定された場合に、所定の期間にわたって開閉弁Ｈ６が所定回数だけ開閉が繰り返された後に、再度乾燥状態であるか否かを判定してもよい。

次に燃料電池システムの変形例について説明する。尚、変形例において、上記の実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５Ａは、第１変形例の燃料電池システム１ａの一部分の構成を示した説明図である。連通路６１ａの一端は、水素循環ポンプ４５よりも下流側であり燃料ガス循環路４３と燃料ガス供給路４２との接続位置よりも上流側で燃料ガス循環路４３に接続されている。このため、開閉弁Ｈ６が開くことにより、燃料電池２０及び気液分離機４６を通過した後の燃料ガス（燃料オフガス）が燃料電池２０のカソード側に供給される。尚、連通路６１ａの一端を気液分離機４６よりも上流側で燃料ガス循環路４３に接続してもよい。燃料ガス循環路４３は、燃料ガスが流通する燃料ガス流路の一例である。

図５Ｂは、第２変形例の燃料電池システム１ｂの一部分の構成を示した説明図である。燃料電池システム１ｂにおいては、燃料ガス循環路４３は採用されておらず、燃料電池２０のアノード側出口と気液分離機４６とを接続した通路４３ｂが採用されている。また、連通路６１ｂの一端は気液分離機４６を介して通路４３ｂに接続されている。通路４３ｂは、燃料ガスが流通する燃料ガス流路の一例である。また、連通路６１ｂ上には開閉弁Ｈ６よりも上流側に供給ポンプ４５ｂが配置されている。供給ポンプ４５ｂは、燃料電池２０が乾燥状態の場合に燃料電池２０から排出された燃料ガス（燃料オフガス）を燃料電池２０内のカソード側に搬送する。燃料電池２０内が乾燥状態ではない場合には、供給ポンプ４５ｂは停止し開閉弁Ｈ６が閉弁し排気排水弁Ｈ５が開弁状態に維持されることにより、燃料電池２０から排出された燃料ガスがアノードオフガス流路４４を介して外部へ排出される。燃料電池２０内が乾燥状態の場合には、開閉弁Ｈ６を間欠的に開閉しつつ、供給ポンプ４５ｂ及び排気排水弁Ｈ５も開閉弁Ｈ６の開閉に同期して間欠的に駆動される。具体的には、開閉弁Ｈ６の開弁期間で供給ポンプ４５ｂが駆動し排気排水弁Ｈ５が閉弁し、開閉弁Ｈ６の閉弁期間で供給ポンプ４５ｂが停止し排気排水弁Ｈ５が開弁する。このように、燃料電池２０内が乾燥状態の場合には、開閉弁Ｈ６及び排気排水弁Ｈ５を間欠的に開閉するとともに供給ポンプ４５ｂも間欠的に駆動する。尚、気液分離機４６は設けられていなくてもよい。

尚、第１及び第２変形例においては、燃料電池２０のカソード側に供給される燃料ガス（燃料オフガス）中での水素及び水蒸気の分率を測定又は推定し、この結果に基づいて、目標供給量Ｑや目標開弁期間ｔａ、目標閉弁期間ｔｂを算出してもよい。

図５Ｃは、第３変形例の燃料電池システム１ｃの一部分の構成を示した説明図である。燃料電池システム１ｃの燃料ガス配管系４０ｃには、気液分離器４６、燃料ガス循環路４３、排気排水弁Ｈ５は採用されていない。このような構成にであっても、連通路６１を介して開閉弁Ｈ６が間欠的に開閉することにより燃料ガスを燃料電池２０内のカソード側に供給できる。

図５Ｄは、第４変形例の燃料電池システム１ｄの一部分の構成を示した説明図である。燃料電池システム１ｄの連通路６１ｄは、燃料ガス供給路４２におけるインジェクタＨ３の上流側から分岐して、酸化剤ガス供給路３２に接続されている。また、連通路６１ｄにインジェクタＨ４が配置されている。ここでインジェクタＨ４は、制御ユニット６０により制御されることにより所望のタイミングで開閉動作を行い、連通路６１ｄを開閉する開閉部材の一例である。インジェクタＨ４はインジェクタＨ３とは独立に開閉動作を行うため、燃料電池２０の発電に適したタイミングで開閉動作するインジェクタＨ３とは異なる周期で燃料ガスの噴射と休止とを切り替えることができる。このためインジェクタＨ４により、燃料電池２０が乾燥状態にあるときのみに酸化剤ガス供給路３２に燃料ガスを供給することができ、他の実施例及び変形例と同様に、燃費の悪化を抑制しつつ燃料電池２０を加湿できる。

上記実施例及び変形例においては、目標供給量Ｑ等に基づいて目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂを算出したが、目標開弁期間ｔａ及び目標閉弁期間ｔｂは予め定められた固定値であってもよい。

上記実施例及び変形例では、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器は設けられていないが、これに限定されない。即ち、このような加湿器を補完するように、上記実施例等で説明した連通路６１及び開閉弁Ｈ６等を採用してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

２０ 燃料電池
３２ 酸化剤ガス供給路
４２ 燃料ガス供給路（燃料ガス流路）
６０ 制御ユニット（判定部、制御部）
６１ 連通路
Ｈ６ 開閉弁（開閉部材）
Ｈ４ インジェクタ（開閉部材）

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス供給路とを連通した連通路と、
   前記連通路を開閉する開閉部材と、
   前記燃料電池内が乾燥状態にあるか否かを判定する判定部と、
   前記燃料電池内が乾燥状態ではないと判定された場合には、前記開閉部材を閉じ、前記燃料電池内が乾燥状態であると判定された場合には、前記開閉部材を間欠的に開閉する制御部と、を備えた燃料電池システム。

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