特開 2024-31650 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024031650

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04537 20160101AFI20240229BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240229BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240229BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240229BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04537

H01M8/0432

H01M8/04746

H01M8/04014

H01M8/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022135328

(22)【出願日】2022-08-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】富本 尚也

(72)【発明者】

【氏名】垣見 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】中村 健

(72)【発明者】

【氏名】立川 克之

(72)【発明者】

【氏名】明本 斉

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB27

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA33

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB26

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127CC07

5H127DB53

5H127DB55

5H127DB71

5H127DC90

(57)【要約】

【課題】燃料電池システム内の酸素濃度が比較的低くなり易い環境下において、燃料電池スタックの発電を安定させる。
【解決手段】複数の燃料電池セルＣを積層させて構成される燃料電池スタックＦＣＳと、燃料電池セルＣ１～Ｃｎのそれぞれの電圧Ｖ１～Ｖｎを検出するセル電圧検出部ＶＤと、ファンＦと、通常モードにおいて燃料電池スタックＦＣＳの温度Ｔｆｃｓに応じてファンＦの動作を制御し、換気モードにおいてファンＦを駆動させる制御部３とを備えて燃料電池システム１を構成し、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１以下になると、通常モードから換気モードに遷移させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池セルを積層させて構成される燃料電池スタックと前記燃料電池スタックを発電させるための補機とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックに関する電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池システム内を換気する換気部と、
通常モードにおいて前記燃料電池スタックまたは前記補機の温度に応じて前記換気部の動作を制御し、換気モードにおいて前記換気部を駆動させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックに関する電圧が第１閾値以下になると、前記通常モードから前記換気モードに遷移させる
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記通常モードから前記換気モードに遷移させてから所定の駆動時間が経過するまで前記換気部を駆動させた後、前記燃料電池スタックに関する電圧が前記第１閾値より大きい第２閾値以上になると、前記換気モードから前記通常モードに遷移させる
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記電圧検出部は、前記複数の燃料電池セルのそれぞれの電圧を検出し、
前記制御部は、前記電圧検出部により検出される各電圧の平均値を前記燃料電池スタックに関する電圧とする
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記換気部は、前記燃料電池スタックの発熱により温められた冷媒を空気と熱交換させるラジエタの放熱量を上昇させるファンであり、
前記燃料電池スタックから空気が排出される排気口は、前記燃料電池スタックの吸気口に対して前記換気部がつくる気流の風下に配置されている
ことを特徴と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】

燃料電池システムとして、車両や発電機に備えられているものがある。

【0003】

ところで、給気口が車両の前面に設けられておらず走行風を取り入れることが難しい車両に燃料電池システムが備えられている場合や定置式の発電機に燃料電池システムが備えられている場合では、燃料電池システム内に外気を積極的に取り入れることができず、燃料電池システム内の酸素濃度が低下し、燃料電池システム内の燃料電池スタックの電圧が低下するおそれがある。

【0004】

また、発電によって酸素濃度が低下した空気が燃料電池スタックから燃料電池システム内に排出される場合では、その排出された空気がエアコンプレッサから燃料電池スタックに供給され、燃料電池スタックの電圧が低下するおそれがある。

【0005】

そこで、燃料電池システム内に外気を積極的に取り入れるとともに、燃料電池スタックから排出される空気を燃料電池システムの外に排出するためにファンなどの換気部を燃料電池システムに備えることが考えられる。関連する技術として、特許文献１がある。

【0006】

しかしながら、燃料電池システム内の酸素濃度を維持するために換気部を駆動させ続ける場合では、換気部がつくる気流によって燃料電池スタックや補機が必要以上に冷され、燃料電池スタックや補機の温度が定格温度の範囲から外れてしまい、燃料電池スタックの発電が不安定になるおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０－２５７５８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の一側面に係る目的は、燃料電池システム内の酸素濃度が低下し易い環境下において、燃料電池スタックの発電を安定させることである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層させて構成される燃料電池スタックと前記燃料電池スタックを発電させるための補機とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックに関する電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池システム内を換気する換気部と、通常モードにおいて前記燃料電池スタックまたは前記補機の温度に応じて前記換気部の動作を制御し、換気モードにおいて前記換気部を駆動させる制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックに関する電圧が第１閾値以下になると、前記通常モードから前記換気モードに遷移させる。

【0010】

これにより、燃料電池システム内の酸素濃度が低下することで燃料電池スタックの電圧が第１閾値以下になったときに換気部を駆動させて燃料電池システム内を換気することができるため、燃料電池システム内に外気を取り入れることができるとともに燃料電池スタックから排出される空気を燃料電池システムの外に排出することができ、燃料電池システム内の酸素濃度の低下を抑制することができる。また、燃料電池スタックの電圧が第１閾値以下になっていない場合、通常モードにより燃料電池スタックまたは補機の温度に応じて換気部の動作を制御することができるため、燃料電池スタックまたは補機の温度を定格温度の範囲内に調整することができ、燃料電池スタックの発電を安定させることができる。

【0011】

また、前記制御部は、前記通常モードから前記換気モードに遷移させてから所定の駆動時間が経過するまで前記換気部を駆動させた後、前記燃料電池スタックに関する電圧が前記第１閾値より大きい第２閾値以上になると、前記換気モードから前記通常モードに遷移させるように構成してもよい。

【0012】

これにより、通常モードから換気モードに遷移させた後、燃料電池スタックの電圧が第１閾値より大きくなると、換気モードから通常モードに遷移させる場合に比べて、通常モードと換気モードとの切り替えが頻繁に行われることを抑制することができるため、燃料電池スタックの発電をさらに安定させることができる。

【0013】

また、前記電圧検出部は、前記複数の燃料電池セルのそれぞれの電圧を検出し、前記制御部は、前記電圧検出部により検出される各電圧の平均値を前記燃料電池スタックに関する電圧とするように構成してもよい。

【0014】

これにより、燃料電池システム内の換気が不必要に行われることが抑制されるため、燃料電池スタックの発電をさらに安定させることができる。

【0015】

また、前記換気部は、前記燃料電池スタックの発熱により温められた冷媒を空気と熱交換させるラジエタの放熱量を上昇させるファンであり、前記燃料電池スタックから空気が排出される排気口は、前記燃料電池スタックの吸気口に対して前記換気部がつくる気流の風下に配置されてもよい。

【0016】

これにより、排気口から排出される空気が燃料電池スタックに供給されることを抑制することができるため、燃料電池スタックに供給される空気の酸素濃度の低下が抑制され、燃料電池システム内の酸素濃度の低下をさらに抑制することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、燃料電池システム内の酸素濃度が比較的低い環境下において、燃料電池スタックの発電を安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態の燃料電池システムの適用例を示す図である。

【図2】実施形態の燃料電池システムの他の適用例を示す図である。

【図3】モード切り替え時の制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

【図4】燃料電池スタックの排気口またはファンの配置例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0020】

図１は、実施形態の燃料電池システムの適用例を示す図である。

【0021】

図１に示す燃料電池システムの適用例では、燃料電池システム１が車両Ｖｅに備えられている。例えば、車両Ｖｅは、フォークリフトなどの産業車両とする。また、車両Ｖｅには、走行用モータを駆動するインバータなどの負荷Ｌｏが搭載され、燃料電池システム１から負荷Ｌｏに電力が供給されるものとする。また、車両Ｖｅは、給気口（不図示）が車両Ｖｅの前進方向に対して車両Ｖｅの側面に設けられているため、または、走行速度が比較的遅いため、走行風を車両Ｖｅ内に取り込むことが難しく走行風による燃料電池システム１内の換気を行うことが難しいものとする。

【0022】

また、図２は、実施形態の燃料電池システムの他の適用例を示す図である。なお、図２に示す燃料電池システム１は、図１に示す燃料電池システム１と同様とする。

【0023】

図２に示す燃料電池システム１の適用例では、燃料電池システム１が定置式発電機Ｓｇに備えられている。例えば、定置式発電機Ｓｇは、商用電源や太陽光発電機などと協働して負荷Ｌｏに電力を供給する発電機であって、燃料電池システム１から負荷Ｌｏに電力が供給されるものとする。また、定置式発電機Ｓｇは、所定の場所に固定され移動しないため、走行風による燃料電池システム１内の換気を行うことが難しいものとする。すなわち、図１または図２に示す燃料電池システム１は、燃料電池システム１内の酸素濃度が比較的低い環境下にあるものとする。

【0024】

また、図１または図２に示す燃料電池システム１は、燃料電池スタックＦＣＳと、セル電圧検出部ＶＤ（電圧検出部）と、燃料タンクＴｋと、主止弁ＳＶと、インジェクタＩＮＪと、気液分離機ＧＬＳと、循環ポンプＨＰと、排気排水弁ＥＤＶと、希釈器ＤＩＬと、エアコンプレッサＡＣＰと、エア調圧弁ＡＲＶと、エアシャット弁ＡＳＶとを備える。

【0025】

また、図１または図２に示す燃料電池システム１は、ラジエタＲと、ファンＦ（換気部）と、ウォータポンプＷＰと、インタークーラＩＣと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、電圧センサＳｖと、電流センサＳｉと、温度センサＳｔと、記憶部２と、制御部３とを備える。

【0026】

燃料電池スタックＦＣＳは、複数の燃料電池セルＣ（燃料電池セルＣ１～Ｃｎ）を積層させて構成される燃料電池であり、水素ガスに含まれる水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。一般に、燃料電池セルＣの電圧は、論理上の起電力から抵抗過電圧、活性化過電圧、及び濃度過電圧の３種類の過電圧を差し引いた電圧になる。抵抗過電圧とは、燃料電池セルＣ内の電子やプラトンの移動し難さに由来する電圧である。活性化過電圧とは、燃料電池セルＣのアノードでの水素酸化反応や燃料電池セルＣのカソードでの酸素還元反応のし難さに由来する電圧である。濃度過電圧とは、燃料電池セルＣ内における水素ガスや空気の拡散のし難さに由来する電圧である。そのため、抵抗過電圧、活性化過電圧、及び濃度過電圧のうちの少なくとも１つの過電圧が増加すると、燃料電池スタックＦＣＳの電圧が低下してしまう。

【0027】

セル電圧検出部ＶＤは、燃料電池セルＣ１～Ｃｎのそれぞれの電圧Ｖ１～Ｖｎを検出し、その検出した電圧Ｖ１～Ｖｎを制御部３に送る。

【0028】

燃料タンクＴｋは、水素ガスの貯蔵容器である。燃料タンクＴｋに貯蔵された水素ガスは主止弁ＳＶ及びインジェクタＩＮＪを介して燃料電池スタックＦＣＳに供給される。

【0029】

主止弁ＳＶは、電磁弁などにより構成され、水素ガスをインジェクタＩＮＪに供給する。また、主止弁ＳＶは、制御部３の動作制御によりインジェクタＩＮＪへの水素ガスの供給を遮断する。燃料電池システム１が車両Ｖｅに備えられている場合、燃料タンクＴｋ及び主止弁ＳＶは車両Ｖｅの内部に備えられる。燃料電池システム１が定置式発電機Ｓｇに備えられている場合、燃料タンクＴｋ及び主止弁ＳＶは定置式発電機の外部に備えられる。

【0030】

インジェクタＩＮＪは、燃料電池スタックＦＣＳに供給される水素ガスの圧力が一定になるように水素ガスの流量を調整する。

【0031】

気液分離機ＧＬＳは、燃料電池スタックＦＣＳから排出される水素ガスと液水とを分離する。

【0032】

循環ポンプＨＰは、気液分離機ＧＬＳにより分離された水素ガスを燃料電池スタックＦＣＳに再度供給する。

【0033】

排気排水弁ＥＤＶは、気液分離機ＧＬＳにより分離された液水を希釈器ＤＩＬに送る。希釈器ＤＩＬに送られた液水は、希釈器ＤＩＬ内のタンクに溜まる。また、燃料電池スタックＦＣＳからエア調圧弁ＡＲＶを介して排出された空気は、排気排水弁ＥＤＶから排出された水素ガスと希釈器ＤＩＬで合流し、その空気は希釈器ＤＩＬの排気口から燃料電池システム１の内部に排出される。このように、希釈器ＤＩＬの排気口、すなわち、燃料電池スタックＦＣＳの排気口から排出される空気は、発電によって燃料電池スタックＦＣＳ内で酸素が消費されているため、燃料電池システム１の外の空気に比べて、酸素濃度が低下している。

【0034】

エアコンプレッサＡＣＰは、燃料電池システム１内の空気を吸気口から取り込み、その取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮した空気をインタークーラＩＣ及びエアシャット弁ＡＳＶを介して燃料電池スタックＦＣＳに供給する。なお、エアコンプレッサＡＣＰの圧縮率は、燃料電池スタックＦＣＳの下流に設けられるエア調圧弁ＡＲＶの開度を調節することで制御される。

【0035】

インタークーラＩＣは、圧縮により高温になった空気をインタークーラＩＣに流れる冷却水などの冷媒と熱交換させる。

【0036】

エアシャット弁ＡＳＶは、制御部３の動作制御により燃料電池スタックＦＣＳへの空気の供給を遮断する。

【0037】

エア調圧弁ＡＲＶは、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の圧力や流量を調整する。

【0038】

ラジエタＲは、燃料電池スタックＦＣＳが発する熱により温められた冷媒を燃料電池システム１内の空気と熱交換させる。

【0039】

ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。すなわち、ファンＦが駆動することによって生じる風がラジエタＲに当たることでラジエタＲの温度を下げる。なお、燃料電池システム１内を換気するための換気部としてのファンは、蓄電装置Ｂなどの補機を冷却するためのファンＦ´（不図示）などを採用してもよく、ファンＦに限定されない。

【0040】

ウォータポンプＷＰは、ラジエタＲにより冷却された冷媒をインタークーラＩＣを介して燃料電池スタックＦＣＳに供給する。

【0041】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池スタックＦＣＳの後段に接続され、燃料電池スタックＦＣＳから出力される電圧を所定の電圧に変換する。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力は、負荷Ｌｏや循環ポンプＨＰ、エアコンプレッサＡＣＰ、及びウォータポンプＷＰなどの補機に供給される。

【0042】

蓄電装置Ｂは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと負荷Ｌｏとの間に接続されている。

【0043】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、補機に供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、負荷Ｌｏから要求される要求電力より大きい場合、その供給電力のうちの要求電力に相当する電力が負荷Ｌｏに供給されるとともに残りの電力が蓄電装置Ｂに供給される。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが充電され蓄電装置Ｂの充電量Ｃｈが増加する。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、補機に供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、負荷Ｌｏから要求される要求電力より小さい場合、その供給電力が負荷Ｌｏに供給されるとともに足りない分の電力が蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに供給される。蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが放電され蓄電装置Ｂの充電量Ｃｈが減少する。なお、充電量Ｃｈとは、蓄電装置Ｂの充電率［％］（蓄電装置Ｂの満充電容量に対する残容量の割合）、または、蓄電装置Ｂに電流が流れていないときの蓄電装置Ｂの開回路電圧［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに電流が流れているときの蓄電装置Ｂの閉回路電圧［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに流れる電流の積算値［Ａｈ］などとする。

【0044】

電圧センサＳｖは、複数の分圧抵抗などにより構成され、燃料電池スタックＦＣＳ全体の電圧Ｖｆｃｓを検出し、その検出した電圧Ｖｆｃｓを制御部３に送る。

【0045】

電流センサＳｉは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池スタックＦＣＳからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに流れる電流Ｉｆｃｓを検出し、その検出した電流Ｉｆｃｓを制御部３に送る。

【0046】

温度センサＳｔは、サーミスタなどにより構成され、燃料電池スタックＦＣＳからラジエタＲに流れる冷媒の温度Ｔを検出し、その検出した温度Ｔを制御部３に送る。制御部３は、温度Ｔに基づいて燃料電池スタックＦＣＳの温度Ｔｆｃｓを推定する。なお、温度センサＳｔは、燃料電池スタックＦＣＳの温度Ｔｆｃｓを直接検出し、その検出した温度Ｔｆｃｓを制御部３に送るように構成してもよい。

【0047】

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。なお、記憶部２は、後述する閾値Ｖｔｈ１や閾値Ｖｔｈ２などを記憶している。

【0048】

制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成される。

【0049】

また、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳを発電させているとき、蓄電装置Ｂの充電量Ｃｈに応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させる。

【0050】

また、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳを発電させているとき、燃料電池スタックＦＣＳの発電電力（電流Ｉｆｃｓと電圧Ｖｆｃｓの乗算値）が目標発電電力Ｐｔに追従するように、補機の動作を制御する。例えば、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳを発電させているとき、ＰＩ（Proportional-Integral）制御により、燃料電池スタックＦＣＳの発電電力と目標発電電力Ｐｔとの差がゼロになるように、補機の動作を制御する。

【0051】

また、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳを発電させているとき、モードの種類（通常モードまたは換気モード）に応じてファンＦの動作制御を変化させる。

【0052】

すなわち、制御部３は、通常モードにおいて、燃料電池スタックＦＣＳの温度Ｔｆｃｓが温度閾値Ｔｔｈ１以上になると、ファンＦを駆動させ、温度Ｔｆｃｓが温度閾値Ｔｔｈ２以下になると、ファンＦを停止させる。なお、温度閾値Ｔｔｈ１は、例えば、燃料電池セルＣの定格温度の上限値により求められる値とする。また、温度閾値Ｔｔｈ２は、温度閾値Ｔｔｈ１より小さい値とし、例えば、温度閾値Ｔｔｈ１から、温度センサＳｔの検出誤差を減算した値とする。

【0053】

また、換気部として補機を冷却するためのファンＦ´（不図示）を採用する場合、制御部３は、通常モードにおいて、補機の温度が温度閾値Ｔｔｈ１´以上になると、ファンＦ´を駆動させ、補機の温度が温度閾値Ｔｔｈ２´以下になると、ファンＦ´を停止させるように構成してもよい。なお、温度閾値Ｔｔｈ１´は、例えば、補機の定格温度の上限値により求められる値とする。また、温度閾値Ｔｔｈ２´は、温度閾値Ｔｔｈ１´より小さい値とし、例えば、温度閾値Ｔｔｈ１´から、補機の温度を検出する温度センサ（不図示）の検出誤差を減算した値とする。

【0054】

また、制御部３は、換気モードにおいて、ファンＦを積極的に駆動させる。例えば、制御部３は、換気モードにおいて、下記式１を満たすようにファンＦを強制的に駆動させる。なお、ファンＦがつくる風（気流）は、燃料電池システム１を囲う筐体（図１に示す破線枠）に設けられる開口部を通って、燃料電池システム１の外に排出されるものとする。

【0055】

所定の駆動量＝ファンＦの風速［ｍ／ｓｅｃ］×燃料電池システム１を囲う筐体に設けられる開口部の面積［ｍ^２］×ファンＦの駆動時間ｔ［ｓｅｃ］＞燃料電池システム１を囲う筐体の体積［ｍ^３］・・・式１

【0056】

なお、制御部３は、換気モードにおいて、上記式１を満たすときのファンＦの回転数と、温度Ｔｆｃｓが温度閾値Ｔｔｈ１以上になったときのファンＦの回転数とを比較し、大きい方の回転数でファンＦを駆動させてもよい。

【0057】

また、制御部３は、換気モードにおいて、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖに応じて、ファンＦの回転数を変化させてもよい。その場合、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖが低いほど、ファンＦの回転数を大きくすることが好ましい。

【0058】

また、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧に応じて通常モードと換気モードの切り替えを行う。

【0059】

図３は、モード切り替え時の制御部３の動作の一例を示すフローチャートである。

【0060】

まず、制御部３は、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖを算出する（ステップＳ１）。例えば、制御部３は、セル電圧検出部ＶＤにより検出される電圧Ｖ１～Ｖｎの平均値を、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖとする。または、制御部３は、電圧センサＳｖにより検出される電圧Ｖｆｃｓを、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖとする。

【0061】

次に、制御部３は、ステップＳ１で算出した電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１（第１閾値）より大きい場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、ステップＳ１、Ｓ２の処理を再度実行し、ステップＳ１で算出した電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１以下になると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、通常モードから換気モードに遷移させる（ステップＳ３）。このように、ステップＳ１で算出した電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１以下になる場合では、燃料電池システム１内の酸素濃度が比較的低いと推測することができ、ファンＦを積極的に駆動させて燃料電池システム１内を換気し燃料電池システム１内の酸素濃度を上昇させる必要があるものとする。

【0062】

次に、制御部３は、通常モードから換気モードに遷移させてから所定の駆動時間（例えば、上記駆動時間ｔ）が経過するまで、換気モード（ファンＦを駆動させ続けている状態）を維持し、所定の駆動時間が経過すると（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖを算出する（ステップＳ５）。

【0063】

そして、制御部３は、ステップＳ５で算出した電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ２（第２閾値）より小さい場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ４～Ｓ６の処理を再度実行し、ステップ５で算出した電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ２以上になると（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、換気モードから通常モードに遷移させる（ステップＳ７）。このように、ステップＳ５で算出した電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ２以上になる場合では、燃料電池システム１内の酸素濃度が正常な酸素濃度に戻ったと推測することができ、燃料電池システム１内の換気のためにファンＦを積極的に駆動させなくてもよいものとする。

【0064】

なお、閾値Ｖｔｈ２は、燃料電池システム１内の酸素濃度が正常な酸素濃度であるときに算出される電圧Ｖとする。また、閾値Ｖｔｈ１は、閾値Ｖｔｈ２より小さい値とし、例えば、閾値Ｖｔｈ２からセル電圧検出部ＶＤまたは電圧センサＳｖの検出誤差を減算した値とする。このように、閾値Ｖｔｈ１と閾値Ｖｔｈ２とを互いに異なる値とすることで、通常モードから換気モードに遷移させた後、電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１より大きくなると、換気モードから通常モードに遷移させる場合に比べて、通常モードと換気モードとの切り替えが頻繁に行われることを抑制することができるため、燃料電池スタックＦＣＳの発電を安定させることができる。

【0065】

ところで、一般に、大気中の酸素濃度（燃料電池システム１の外の空気の酸素濃度）は約２１［％］であるが、発電による酸素消費により燃料電池スタックＦＣＳから排出される空気の酸素濃度は大気中の酸素濃度より低い。そのため、燃料電池スタックＦＣＳから排出される空気をエアコンプレッサＡＣＰが吸い込んだ場合、エアコンプレッサＡＣＰから燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度が比較的低くなるため、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖが低下してしまう。

【0066】

また、給気口が側面に設けられている車両Ｖｅ、若しくは、走行速度が比較的遅い車両Ｖｅに燃料電池システム１が備えられている場合、または、定置式発電機Ｓｇに燃料電池システム１が備えられている場合では、燃料電池システム１内に外気を積極的に取り入れることができず、エアコンプレッサＡＣＰから燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度が比較的低くなるため、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖが低下してしまう。

【0067】

そこで、実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１以下になると、ファンＦを積極的に駆動させて燃料電池システム１内を換気させている。これにより、燃料電池システム１内に外気を取り入れることができるとともに燃料電池スタックＦＣＳから排出される空気を燃料電池システム１の外に排出させることができるため、燃料電池システム１内の酸素濃度の低下を抑制することができ、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度の低下を抑制することができる。また、燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１以下になっていない場合、通常モードにより燃料電池スタックＦＣＳの温度Ｔｆｃｓに応じてファンＦの動作を制御することができるため、または、通常モードにより補機の温度に応じてファンＦ´の動作を制御することができるため、燃料電池スタックＦＣＳの温度Ｔｆｃｓまたは補機の温度を定格温度の範囲内に調整することができ、燃料電池スタックＦＣＳの発電を安定させることができる。

【0068】

また、一般に、燃料電池システム１内の酸素濃度が低くなると、各燃料電池セルＣのそれぞれの電圧Ｖ１～Ｖｎも低くなる。そのため、実施形態の燃料電池システム１のように、各燃料電池セルＣの電圧Ｖ１～Ｖｎの平均値を燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖとすることで、電圧Ｖが閾値Ｖｔｈ１より大きい場合に、すなわち、各燃料電池セルＣのそれぞれの電圧Ｖ１～Ｖｎが比較的低くない場合に燃料電池システム１内の換気が積極的に行われないようにすることができる。これにより、燃料電池システム１内の酸素濃度の低下以外の要因で燃料電池スタックＦＣＳの電圧が低下する場合に燃料電池システム１内の換気が行われることを抑制することができる。すなわち、燃料電池システム１内の換気が不必要に行われることが抑制されるため、燃料電池スタックＦＣＳの発電をさらに安定させることができる。

【0069】

また、各燃料電池セルＣの電圧Ｖ１～Ｖｎの平均値を燃料電池スタックＦＣＳに関する電圧Ｖとする場合では、燃料電池セルＣの個数が変化し燃料電池スタックＦＣＳ全体の電圧Ｖｆｃｓが変化しても、閾値Ｖｔｈ１や閾値Ｖｔｈ２を大きく変更させる必要がないため、例えば燃料電池スタックＦＣＳを構成するセル枚数を増減させる場合でも、柔軟に対応可能である。このように、燃料電池システム１の汎用性を向上させることができる。

【0070】

＜燃料電池スタックＦＣＳの排気口またはファンＦの配置例について＞
ここで、図４は、燃料電池スタックＦＣＳの排気口またはファンＦの配置例を示す図である。なお、図４（ａ）～図４（ｄ）は、エアコンプレッサＡＣＰの吸気口、燃料電池スタックＦＣＳの排気口、ファンＦ、及び燃料電池システム１の筐体に設けられる開口部のそれぞれの配置例を示している。また、図４（ａ）～図４（ｄ）に示す破線は、ファンＦに引き込まれる空気の流れを示し、図４（ａ）～図４（ｄ）に示す一点鎖線は、ファンＦから押し出される空気の流れを示している。また、ファンＦに引き込まれる空気の流れは指向性が比較的低く、ファンＦから送り出される空気の流れは指向性が比較的高いものとする。

【0071】

図４（ａ）に示す配置例では、エアコンプレッサＡＣＰの吸気口、燃料電池スタックＦＣＳの排気口、ファンＦ、燃料電池システム１の筐体に設けられる開口部の順に並んで配置されている。この場合、排気口から排出される空気は、ファンＦに引き込まれる空気の流れに乗ってファンＦから送り出され、開口部を介して燃料電池システム１の外へ排出される。また、図４（ａ）に示す配置例では、排気口が吸気口に対してファンＦがつくる気流の風下に配置されているため、排気口から排出される空気が吸気口に吸い込まれることを抑制することができる。

【0072】

図４（ｂ）に示す配置例では、エアコンプレッサＡＣＰの吸気口、ファンＦ、燃料電池スタックＦＣＳの排気口、燃料電池システム１の筐体に設けられる開口部の順に並んで配置されている。この場合、排気口から排出される空気は、ファンＦから押し出される空気に乗って開口部を介して燃料電池システム１の外へ排出される。また、図４（ｂ）に示す配置例では、排気口が吸気口に対してファンＦがつくる気流の風下に配置されているため、排気口から排出される空気が吸気口に吸い込まれることを抑制することができる。

【0073】

図４（ｃ）に示す配置例では、エアコンプレッサＡＣＰの吸気口、ファンＦ、燃料電池システム１の筐体に設けられる開口部、燃料電池スタックＦＣＳの排気口の順に並んで配置されている。この場合、排気口から排出される空気は、燃料電池システム１の外において排出された後、ファンＦから開口部を介して押し出される空気に乗って燃料電池システム１から離れていく。また、図４（ｃ）に示す配置例では、排気口が吸気口に対してファンＦがつくる気流の風下に配置されているため、排気口から排出される空気が吸気口に吸い込まれることを抑制することができる。

【0074】

図４（ｄ）に示す配置例では、エアコンプレッサＡＣＰの吸気口、燃料電池スタックＦＣＳの排気口、燃料電池システム１の筐体に設けられる開口部、ファンＦの順に並んで配置されている。この場合、排気口から排出される空気は、ファンＦに引き込まれる空気に乗って、開口部を介して燃料電池システム１の外へ排出される。また、図４（ｄ）に示す配置例では、排気口が吸気口に対してファンＦがつくる気流の風下に配置されているため、排気口から排出される空気が吸気口に吸い込まれることを抑制することができる。

【0075】

図４（ａ）～図４（ｄ）に示す配置例によれば、吸気口に対してファンＦがつくる気流の風下に排気口を配置しているため、排気口から排出される空気がエアコンプレッサＡＣＰの吸気口を介して燃料電池スタックＦＣＳに供給されることを抑制することができるため、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度の低下が抑制され、燃料電池システム１内の酸素濃度の低下をさらに抑制することができる。

【0076】

また、排気口から排出される空気をファンＦに引き込まれる空気に乗せて燃料電池システム１の外へ排出させる場合、ファンＦに引き込まれる空気の流れは指向性が比較的低いため、燃料電池システム１内のレイアウトに制約がない場合、排気口をできるだけファンＦに近い位置に配置することが望ましい。これにより、排気口から排出される空気を燃料電池システム１の外に効率よく排出することができる。

【0077】

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

【符号の説明】

【0078】

１ 燃料電池システム
２ 記憶部
３ 制御部
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 負荷
Ｓｇ 定置式発電機
ＦＣＳ 燃料電池スタック
Ｔｋ 燃料タンク
ＳＶ 主止弁
ＩＮＪ インジェクタ
ＧＬＳ 気液分離機
ＨＰ 循環ポンプ
ＥＤＶ 排気排水弁
ＤＩＬ 希釈器
ＡＣＰ エアコンプレッサ
ＡＲＶ エア調圧弁
ＡＳＶ エアシャット弁
Ｒ ラジエタ
Ｆ ファン
ＷＰ ウォータポンプ
ＩＣ インタークーラ
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｂ 蓄電装置
Ｓｖ 電圧センサ
Ｓｉ 電流センサ
Ｓｔ 温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】