特開 2024-37203 燃料電池ユニット

(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】P2024037203

(43)【公開日】2024-03-19

(54)【発明の名称】燃料電池ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240312BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20240312BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20240312BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240312BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/0444

H01M8/04029

H01M8/04014

H01M8/04694

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022141838

(22)【出願日】2022-09-07

(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】垣見 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】明本 斉

(72)【発明者】

【氏名】富本 尚也

(72)【発明者】

【氏名】立川 克之

(72)【発明者】

【氏名】中村 健

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB27

5H127AB29

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA39

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB25

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DB24

5H127DB44

5H127DC22

5H127DC76

5H127DC99

5H127FF09

(57)【要約】

【課題】燃料電池スタックに供給される空気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。
【解決手段】燃料電池ユニットＦＣＵ内の空気を燃料電池スタックＦＣＳに供給するエアコンプレッサＡＣＰと、ファンＦと、燃料電池ユニットＦＣＵの吸入空気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部ＯＣＤと、制御部ＣＮＴとを備えて燃料電池ユニットＦＣＵを構成し、制御部ＣＮＴは、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度を標準酸素濃度で除算した値と、エアストイキとを乗算した酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、エアコンプレッサＡＣＰの動作を制御することにより燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理、または、ファンＦの動作を制御することにより燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理のうち少なくとも１つの処理を実行する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池ユニットにおいて、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池ユニット内の空気を前記燃料電池スタックに供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池ユニット内を換気する換気部と、
前記燃料電池ユニットの吸入空気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記エアコンプレッサ及び前記換気部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックのエアストイキと、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度を標準酸素濃度で除算した値とを乗算した値である酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、前記エアコンプレッサの動作を制御することにより前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させる処理、または、前記換気部の動作を制御することにより前記燃料電池ユニット内を換気させる処理のうち少なくとも１つの処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
前記制御部は、前記酸素ストイキが前記目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、前記酸素ストイキを前記目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量が、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量の許容範囲の上限値以下である場合に、前記空気の流量を増加させる処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池ユニット。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
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る
ことを特徴とする燃料電池ユニット。

【請求項4】

請求項１に記載の燃料電池ユニットにおいて、
通知部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池ユニット内を換気させる処理を実行した後に、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度が所定濃度よりも低い場合、前記燃料電池ユニットの外の空気の酸素濃度が低下している旨を前記通知部により前記燃料電池ユニットの外に通知させる
ことを特徴とする燃料電池ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池ユニットとして、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いない場合や車両の速度が比較的遅い場合または燃料電池ユニットが定置式発電機に備えられている場合では、走行風が車両や発電機に入らないため、燃料電池ユニット内に外気を積極的に取り込むことができず、燃料電池ユニット内の空気の酸素濃度が低下し、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ユニットの外に排出されず燃料電池ユニット内に排出される場合では、その空気が再び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、例えば、燃料電池スタックに供給される空気の流量が、燃料電池ユニット内の空気の酸素濃度を用いて算出される目標流量と一致するように、燃料電池スタックに空気を供給す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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４－２７３１６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の一側面に係る目的は、燃料電池スタックに供給される空気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】

【0008】

本発明に係る一つの形態である燃料電池ユニットは、燃料電池スタックと、前記燃料電池ユニット内の空気を前記燃料電池スタックに供給するエアコンプレッサと、前記燃料電池ユニット内を換気する換気部と、前記燃料電池ユニットの吸入空気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、前記エアコンプレッサ及び前記換気部の動作を制御する制御部とを備える。

【0009】

前記制御部は、前記燃料電池スタックのエアストイキと、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度を標準酸素濃度で除算した値とを乗算した値である酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、前記エアコンプレッサの動作を制御することにより前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させる処理、または、前記換気部の動作を制御することにより前記燃料電池ユニット内を換気させる処理のうち少なくとも１つの処理を実行する。

【0010】

これにより、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニット内を換気させる処理の少なくとも１つの処理を実行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を上昇させることができ、燃料電池スタックの電圧が低下することを抑制することができる。

【0011】

また、前記制御部は、前記酸素ストイキが前記目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、前記酸素ストイキを前記目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量が、前記燃料電池スタックに供給される空気の流量の許容範囲の上限値以下である場合に、前記空気の流量を増加させる処理を実行するように構成してもよい。

【0012】

これにより、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、酸素ストイキを目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、燃料電池スタックに供給される空気の流量が、上限値より大きい場合、燃料電池スタックに供給される空気の流量を増加させないようにすることができるため、エアコンプレッサにかかる負荷を低減させることができるとともに、燃料電池スタック内の乾燥を抑制することができる。

【0013】

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としてもよい。

【0014】

これにより、ラジエタの放熱量を上昇させるファンが予め燃料電池ユニットに備えられている場合、そのファンを換気部として流用することができるため、燃料電池ユニットの製造コストの増大を抑制することができる。

【0015】

また、前記燃料電池ユニットは、通知部を備え、前記制御部は、前記燃料電池ユニット内を換気させる処理を実行した後に、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度が所定濃度よりも低い場合、前記燃料電池ユニットの外の空気の酸素濃度が低下している旨を前記通知部により前記燃料電池ユニットの外に通知させるように構成してもよい。

【0016】

これにより、燃料電池ユニットの周囲の空気の酸素濃度が低下しているときにその旨を燃料電池ユニットの外に通知することができるため、燃料電池ユニットを備える車両や定置式発電機の近くにいるユーザに燃料電池ユニットの周囲の空気の酸素濃度が低下している旨を知らせることができる。

【0017】

また、燃料電池ユニット内を換気させる処理を実行した後に酸素濃度が所定濃度より小さいか否かを判断する構成であるため、酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に含まれるノイズの影響により酸素濃度が所定濃度より小さいと誤って判断されることを抑制することができ、燃料電池ユニットの外に誤った通知が行われることを抑制することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、燃料電池スタックに供給される空気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】

【0019】

【図1】実施形態の燃料電池ユニットの適用例を示す図である。

【図2】実施形態の燃料電池ユニットの他の適用例を示す図である。

【図3】実施例１における制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

【図4】実施例２における制御部の動作の一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】

【0020】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0021】

図１は、実施形態の燃料電池ユニットの適用例を示す図である。

【0022】

図１に示す燃料電池ユニットの適用例では、燃料電池ユニットＦＣＵ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、燃料電池ユニットＦＣＵ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の前面に設けられていないため、または、給気口が車両Ｖｅの前面に設けられていたとしても車両Ｖｅの走行速度が比較的遅いため、走行風によって燃料電池ユニットＦＣＵ内の換気を行うことが難しいものとする。

【0023】

また、図２は、実施形態の燃料電池ユニットの他の適用例を示す図である。なお、図２に示す燃料電池ユニットＦＣＵは、図１に示す燃料電池ユニットＦＣＵと同様とする。

【0024】

図２に示す燃料電池ユニットＦＣＵの適用例では、燃料電池ユニットＦＣＵが定置式発電機Ｓｇに備えられている。例えば、燃料電池ユニットＦＣＵは、商用電源や太陽光発電機などと協働して定置式発電機Ｓｇの外に設けられる負荷Ｌｏに電力を供給する。また、定置式発電機Ｓｇは、一定の場所に設置され、その場所から移動しない構成であるため、走行風によって燃料電池ユニットＦＣＵ内の換気を行うことが難しいものとする。また、さらに、窓が少ない建物や換気システムを備えていない部屋の中に定置式発電機Ｓｇが設置されている場合では、燃料電池ユニットＦＣＵ内の換気を行うことがさらに難しいものとする。

【0025】

すなわち、図１または図２に示す燃料電池ユニットＦＣＵは、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い環境下にあるものとする。

【0026】

また、図１または図２に示す燃料電池ユニットＦＣＵは、燃料電池スタックＦＣＳ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、水素循環ポンプ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。

【0027】

また、図１または図２に示す燃料電池ユニットＦＣＵ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Ｓｖｂと、電流センサＳｉｂと、電圧センサＳｖｆと、電流センサＳｉｆと、酸素濃度検出部ＯＣＤと、記憶部ＳＴＲと、制御部ＣＮＴとを備える。

【0028】

燃料電池スタックＦＣＳ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。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。なお、抵抗過電圧とは、燃料電池セル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、燃料電池セルのアノードでの水素酸化反応や燃料電池セル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。

【0029】

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。

【0030】

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ＣＮＴ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。

【0031】

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。なお、燃料電池ユニットＦＣＵが車両Ｖｅに備えられている場合、燃料タンクＴｋ、主止弁ＳＶ、及びインジェクタＩＮＪは車両Ｖｅの内部に備えられる。燃料電池ユニットＦＣＵが定置式発電機Ｓｇに備えられている場合、燃料タンクＴｋ、主止弁ＳＶ、及びインジェクタＩＮＪは定置式発電機Ｓｇの外部に備えられる。

【0032】

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。

【0033】

水素循環ポンプ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。

【0034】

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内の不図示のタンクに溜まる。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から燃料電池ユニットＦＣＵ内に排出される。このように、希釈器ＤＩＬから排出される空気は、燃料電池スタックＦＣＳの発電により酸素が消費されているため、燃料電池ユニットＦＣＵ（車両Ｖｅや定置式発電機Ｓｇ）の外の空気に比べて、酸素濃度が低下しているものとする。

【0035】

エアコンプレッサＡＣＰは、燃料電池ユニットＦＣＵ内の空気を圧縮し、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の負荷（モータの回転数）が増加するほど、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流量が増加するものとする。

【0036】

インタークーラＩＣは、エアコンプレッサＡＣＰの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。

【0037】

エアシャット弁ＡＳＶは、制御部ＣＮＴ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。

【0038】

エア調圧弁ＡＲＶは、制御部ＣＮＴの動作制御により燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の圧力を調整する。

【0039】

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ユニットＦＣＵ内の空気と熱交換させる。

【0040】

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。また、ファンＦは、燃料電池ユニットＦＣＵの外の空気を燃料電池ユニットＦＣＵ内に取り込むとともに燃料電池ユニットＦＣＵ内の空気を燃料電池ユニットＦＣＵの外に排出する換気部、すなわち、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気する換気部として機能する。なお、換気部は、蓄電装置Ｂなどの補機を冷却するためのファン（不図示）などを採用してもよく、ファンＦに限定されない。換気部としてファンＦを採用する場合では、燃料電池ユニットＦＣＵに換気部を新たに備える必要がなく、ファンＦを換気部として流用することができるため、燃料電池ユニットＦＣＵの製造コストの増大を抑制することができる。

【0041】

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。

【0042】

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や水素循環ポンプ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。

【0043】

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。

【0044】

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の電圧Ｖｂ［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の電圧Ｖｂ［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに流れる電流Ｉｂの積算値［Ａｈ］などとする。

【0045】

電圧センサＳｖｂは、複数の分圧抵抗などにより構成され、蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂを検出し、その検出した電圧Ｖｂを制御部ＣＮＴに送る。

【0046】

電流センサＳｉｂは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、蓄電装置Ｂに流れる電流Ｉｂを検出し、その検出した電流Ｉｂを制御部ＣＮＴに送る。

【0047】

電圧センサＳｖｆ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Ｖｆを検出し、その検出した電圧Ｖｆを制御部ＣＮＴに送る。

【0048】

電流センサＳｉｆ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Ｉｆを検出し、その検出した電流Ｉｆを制御部ＣＮＴに送る。

【0049】

酸素濃度検出部ＯＣＤは、例えば、酸素濃度計であり、燃料電池ユニットＦＣＵの吸入空気の酸素濃度ＯＣを検出し、その検出した酸素濃度ＯＣを制御部ＣＮＴに送る。

【0050】

記憶部ＳＴＲ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ＳＴＲは、後述する目標酸素ストイキや上限値などを記憶している。

【0051】

制御部ＣＮＴは、マイクロコンピュータなどにより構成され、燃料電池スタックＦＣＳの発電制御時、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。

【0052】

また、制御部ＣＮＴは、燃料電池スタックＦＣＳの発電制御時、燃料電池スタックＦＣＳの発電電力Ｐ（電流Ｉｆと電圧Ｖｆ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ＣＮＴ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Ｐ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。

【0053】

また、制御部ＣＮＴは、酸素ストイキ低下回避処理を一定周期毎に実行する。例えば、制御部ＣＮＴは、酸素ストイキ低下回避処理の実行時、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、エアコンプレッサＡＣＰの動作を制御することにより燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理、または、ファンＦの動作を制御することにより燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理のうち少なくとも１つの処理を実行する。燃料電池ユニットＦＣＵ内の空気の酸素濃度ＯＣが標準酸素濃度ＯＣｓと等しいまたは略等しい場合において、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させると、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度が上昇し、酸素ストイキが上昇するものとする。また、燃料電池ユニットＦＣＵ（車両Ｖｅや定置式発電機Ｓｇ）の外の空気の酸素濃度が標準酸素濃度ＯＣｓと等しいまたは略等しい場合において、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させると、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度が上昇し、酸素ストイキが上昇するものとする。なお、目標酸素ストイキは、燃料電池セルの特性の違いに応じて異なる値であり、例えば、１．０～１．３とする。また、目標酸素ストイキは、燃料電池スタックＦＣＳの発電電力Ｐが目標発電電力Ｐｔと等しくなるときに酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣを用いて算出される酸素ストイキとする。

【0054】

例えば、制御部ＣＮＴは、燃料電池スタックＦＣＳのエアストイキと、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣを標準酸素濃度ＯＣｓで除算した値とを乗算した値を、酸素ストイキとする。すなわち、制御部ＣＮＴは、下記式１を計算した結果を酸素ストイキとする。なお、エアストイキや標準酸素濃度ＯＣｓは、記憶部ＳＴＲに予め記憶されているものとする。また、エアストイキとは、燃料電池スタックＦＣＳの発電電力Ｐが目標発電電力Ｐｔと等しくなるときにエアコンプレッサＡＣＰから燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量に対する、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実際の流量の割合とする。また、標準酸素濃度ＯＣｓとは、燃料電池スタックＦＣＳ内の換気が十分に行われているときに酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣとする。また、酸素ストイキとは、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度の指標とする。

【0055】

酸素ストイキ＝エアストイキ×酸素濃度ＯＣ÷標準酸素濃度ＯＣｓ ・・・式１

【0056】

＜実施例１＞
図３は、実施例１における制御部ＣＮＴの動作の一例を示すフローチャートである。

【0057】

まず、制御部ＣＮＴは、酸素ストイキ低下回避処理を開始すると、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣを取得し（ステップＳ１）、ステップＳ１で取得した酸素濃度ＯＣを用いて酸素ストイキを算出する（ステップＳ２）。

【0058】

次に、制御部ＣＮＴは、ステップＳ２で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキ以上である場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。

【0059】

一方、制御部ＣＮＴは、ステップＳ２で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、必要エア流量を算出する（ステップＳ４）。なお、必要エア流量とは、酸素ストイキを目標酸素ストイキまで増加させるために必要である、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量とする。例えば、エアストイキを１．５とし、目標酸素ストイキを１．２とし、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣを１３［％］とし、標準酸素濃度ＯＣｓを２１［％］とし、エアストイキが１であるときに燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を１００［ＮＬ／ｍｉｎ］とする場合、制御部ＣＮＴは、まず、１．５×１３［％］÷２１［％］を計算することにより酸素ストイキとして０．９２を算出し、次に、１．５×１．２÷０．９２を計算することにより新たなエアストイキとして１．９５を算出し、そして、１．９５×１００［ＮＬ／ｍｉｎ］を計算することにより必要エア流量として１９５［ＮＬ／ｍｉｎ］を算出する。

【0060】

また、制御部ＣＮＴは、ステップＳ４で算出した必要エア流量が、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量の許容範囲の上限値以下である場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、エアコンプレッサＡＣＰの動作を制御することにより燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させて（ステップＳ６）、ステップＳ８の処理に進む。例えば、制御部ＣＮＴは、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量が、ステップＳ４で算出した必要エア流量に近づくように、エアコンプレッサＡＣＰの動作を制御する。このように、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させることで、エアストイキが増加するため、酸素ストイキの増加を期待することができる。なお、上限値は、実験やシミュレーションなどを行うことにより、エアコンプレッサＡＣＰの騒音レベルや燃料電池スタックＦＣＳ内の空気の流路の乾燥度合いを用いて予め求められる値とする。

【0061】

一方、制御部ＣＮＴは、ステップＳ４で算出した必要エア流量が上限値より大きい場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を変化させず（ステップＳ７）、ステップＳ８の処理に進む。

【0062】

次に、ステップＳ８において、制御部ＣＮＴは、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣを取得し、ステップＳ８で取得した酸素濃度ＯＣを用いて酸素ストイキを算出する（ステップＳ９）。

【0063】

次に、制御部ＣＮＴは、ステップＳ９で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキ以上である場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。

【0064】

一方、制御部ＣＮＴは、ステップＳ９で算出した酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、ファンＦの動作制御することにより燃料電池ユニット内を換気させて（ステップＳ１１）、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。なお、ステップＳ１１において、すでにファンＦが駆動している場合、制御部ＣＮＴは、目標酸素ストイキと酸素ストイキとの差が大きいほど、ファンＦの回転数を増加させるように構成してもよい。このように、ファンＦの動作を制御して燃料電池ユニットＦＣＵ内の換気を行うことで、燃料電池ユニットＦＣＵの外の空気を燃料電池ユニットＦＣＵ内に取り込むとともに燃料電池ユニットＦＣＵ内の空気を燃料電池ユニットＦＣＵの外に排出することができるため、エアコンプレッサＡＣＰに吸入される空気の酸素濃度を上昇させることができ、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができ、酸素ストイキの増加を期待することができる。

【0065】

実施例１によれば、酸素ストイキ低下回避処理が一定周期毎に繰り返し実行されることで、酸素ストイキを目標酸素ストイキに近づけることができる。

【0066】

また、実施例１によれば、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合で、かつ、必要エア流量が上限値より大きい場合、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させないようにすることができるため、エアコンプレッサＡＣＰにかかる負荷を低減させることができるとともに、燃料電池スタックＦＣＳ内の乾燥を抑制することができる。

【0067】

＜実施例２＞
図４は、実施例２における制御部ＣＮＴの動作の一例を示すフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートのステップＳ１～ステップＳ１１は、図３に示すフローチャートのステップＳ１～ステップＳ１１と同様であるため、それらの説明を省略する。また、実施例２において、図１または図２に示す燃料電池ユニットＦＣＵには、警告灯やブザーなどにより構成される通知部（不図示）が備えられているものとする。

【0068】

ステップＳ１１において、制御部ＣＮＴは、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させた後、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣを取得し（ステップＳ１２）、ステップＳ１２で取得した酸素濃度ＯＣを用いて予め定めている酸素濃度の閾値と比較する（ステップＳ１３）。閾値は、警告を行うために用いられる所定濃度とする。

【0069】

次に、制御部ＣＮＴは、ステップＳ１２で取得した酸素濃度ＯＣが閾値以上である場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。

【0070】

一方、制御部ＣＮＴは、ステップＳ１２で取得した酸素濃度ＯＣが閾値より小さい場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、燃料電池ユニットＦＣＵの外の空気の酸素濃度が少なくとも標準酸素濃度より低下している旨を通知部により燃料電池ユニットＦＣＵ（車両Ｖｅや定置式発電機Ｓｇ）の外に通知させて（ステップＳ１４）、今回の酸素ストイキ低下回避処理を終了する。

【0071】

このように、実施例２によれば、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させたり、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させたりしたにもかかわらず、酸素濃度ＯＣが閾値以上にならない場合、燃料電池ユニットＦＣＵの外の空気の酸素濃度が低下している旨を燃料電池ユニットＦＣＵの外に通知させる構成であるため、燃料電池ユニットＦＣＵを備える車両Ｖｅや定置式発電機Ｓｇの近くにいるユーザに燃料電池ユニットＦＣＵの周囲の空気の酸素濃度が低下している旨を知らせることができる。

【0072】

また、実施例２によれば、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理を実行した後に取得した酸素濃度ＯＣが閾値より小さいか否かを判断する構成であるため、酸素濃度検出部ＯＣＤにより検出される酸素濃度ＯＣに含まれるノイズの影響により酸素濃度ＯＣが閾値より小さいと誤って判断されることを抑制することができ、燃料電池ユニットＦＣＵの外に誤った通知が行われることを抑制することができる。

【0073】

また、図３または図４に示すフローチャートでは、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させた後、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる構成であるが、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させた後、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させるように構成してもよい。すなわち、ステップＳ８～Ｓ１１を実行した後、ステップＳ１～Ｓ７を実行するように構成してもよい。なお、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理の優先順位は、制御部ＣＮＴによるエアコンプレッサＡＣＰまたはファンＦの制御開始からエアコンプレッサＡＣＰまたはファンＦの動作開始までにかかる時間やエアコンプレッサＡＣＰまたはファンＦの動作に伴う酸素ストイキの単位時間あたりの増加量により決めてもよい。例えば、制御部ＣＮＴによるエアコンプレッサＡＣＰの制御開始からエアコンプレッサＡＣＰの動作開始までにかかる時間が、制御部ＣＮＴによるファンＦの制御開始からファンＦの動作開始までにかかる時間より短い場合、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理を、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理より優先させる。また、ファンＦの動作に伴う酸素ストイキの単位時間あたりの増加量が、エアコンプレッサＡＣＰの動作に伴う酸素ストイキの単位時間あたりの増加量より大きい場合、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理を、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理より優先させる。

【0074】

また、図３または図４に示すフローチャートでは、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい状態が継続する場合、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理の２つの処理を実行する構成であるが、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理、及び、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理の２つの処理の一方の処理を実行するように構成してもよい。

【0075】

ところで、給気口が前面に設けられていない車両Ｖｅや走行速度が比較的遅い車両Ｖｅに燃料電池ユニットＦＣＵが備えられている場合、または、定置式発電機Ｓｇに燃料電池ユニットＦＣＵが備えられている場合では、燃料電池ユニットＦＣＵ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の電圧Ｖｆが低下するおそれがある。

【0076】

また、ラジエタＲを通る冷媒の温度が比較的低くファンＦを駆動させる必要が無い場合、燃料電池ユニットＦＣＵ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の電圧Ｖｆが低下するおそれがある。

【0077】

また、負荷Ｌｏから燃料電池ユニットＦＣＵに要求される電力が比較的大きい場合、濃度過電圧が増加し燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆが低下するおそれがある。

【0078】

また、一般に、大気中の酸素濃度（車両Ｖｅの外の空気の酸素濃度や定置式発電機Ｓｇを覆う建物の外の空気の酸素濃度）は約２１［％］であるが、燃料電池スタックＦＣＳ内の空気に含まれる酸素は発電によって消費されるため、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の電圧Ｖｆが低下するおそれがある。

【0079】

そして、これらの条件が重なると、燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆが低下する可能性がさらに高くなる。

【0080】

そこで、実施形態の燃料電池ユニットＦＣＵでは、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度の指標である酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合に、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流量を増加させる処理、または、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理のうち少なくとも１つの処理を実行する構成である。燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の流量を増加させる処理、または、燃料電池ユニットＦＣＵ内を換気させる処理が実行されると、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができる。これにより、酸素ストイキが目標酸素ストイキより小さい場合、燃料電池スタックに供給される空気の酸素濃度を上昇させることができ、燃料電池スタックの電圧が低下することを抑制することができる。すなわち、実施形態の燃料電池ユニットＦＣＵによれば、燃料電池スタックＦＣＳに供給される空気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ＦＣＳの発電を安定させることができる。

【0081】

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】

【0082】

ＦＣＵ 燃料電池ユニット
ＳＴＲ 記憶部
ＣＮＴ 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
Ｓｖｆ 電圧センサ
Ｓｉｆ 電流センサ
Ｓｖｂ 電圧センサ
Ｓｉｂ 電流センサ
ＯＣＤ 酸素濃度検出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】