特許 7363680 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-10

(45)【発行日】2023-10-18

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04291 20160101AFI20231011BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/04828 20160101ALI20231011BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04291

H01M8/04537

H01M8/04746

H01M8/04828

H01M8/04858

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020109108

(22)【出願日】2020-06-24

(65)【公開番号】P2022006714

(43)【公開日】2022-01-13

【審査請求日】2022-05-23

(73)【特許権者】

【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】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】萬壽 良則

(72)【発明者】

【氏名】藤尾 孝郎

【審査官】藤森 一真

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２６９９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６６５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２６８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３１５８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２２２１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０３１３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２９７４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１５２５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１７２９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３３５３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０４１６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２００８９５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出力電力を一定に保つとともに、前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスのストイキ比（酸化剤ストイキ比）を第１酸化剤ストイキ比に調整し、前記酸化剤ガスの前記燃料電池スタックへの供給圧を第１圧力に調整し、燃料ガスのストイキ比（燃料ストイキ比）を第１燃料ストイキ比に調整するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの出力電流が所定の加湿開始電流値を超えたら、前記酸化剤ストイキ比を前記第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、前記供給圧を前記第１圧力から第２圧力に変更し、前記燃料ストイキ比を前記第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更し、
前記第２酸化剤ストイキ比は前記第１酸化剤ストイキ比よりも小さく、
前記第２圧力は前記第１圧力よりも高く、
前記第２燃料ストイキ比は前記第１燃料ストイキ比よりも大きく、
前記コントローラは、さらに、
所定の周期で所定の加湿時間の間、前記酸化剤ストイキ比を前記第１酸化剤ストイキ比から前記第２酸化剤ストイキ比に変更し、前記供給圧を前記第１圧力から前記第２圧力に変更し、前記燃料ストイキ比を前記第１燃料ストイキ比から前記第２燃料ストイキ比に変更して前記燃料電池スタックを運転し、
前記出力電流が前記加湿開始電流値を超えたら、前記周期に関わらずに、前記酸化剤ストイキ比を前記第２酸化剤ストイキ比に調整し、前記供給圧を前記第２圧力に調整し、前記燃料ストイキ比を前記第２燃料ストイキ比に調整するとともに、前記周期の計時をリスタートする、
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。本明細書は、燃料電池スタックの湿度を適切な範囲に維持し、長期間にわたって出力電力を一定に保つことのできる燃料電池システムを提供する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、出力電力を一定に保つ燃料電池システムが開示されている。同一条件で燃料電池スタックの出力電力を一定に保持すると、燃料電池の内部が乾燥あるいは水分過多になり、発電効率が下がることが知られている。すなわち、燃料電池スタック内の湿度が適切な範囲を外れると発電効率が下がる。燃料電池スタックのカソードに供給する酸化剤ガス（典型的には空気）のストイキ比とアノードに供給する燃料ガス（典型的には水素ガス）のストイキ比を変更することで、燃料電池スタックの内部を乾燥させたり加湿させたりできることが知られている（例えば特許文献２）。具体的には、酸化剤ガスのストイキ比を小さく、燃料ガスのストイキ比を大きくすると、燃料電池スタックの内部が加湿される。同時に酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給圧を高めると、加湿が促進される。なお、燃料ガスのストイキ比は、電流密度０．６［Ａ/ｃｍ^２］における理論燃料ガス流量に対する燃料ガスの流量の比率を意味する。酸化剤ガスのストイキ比は、電流密度０．６［Ａ/ｃｍ^２］における理論酸化剤ガス流量に対する酸化剤ガスの流量の比率を意味する。以下では、説明の便宜上、酸化剤ガスのストイキ比を酸化剤ストイキ比と表記し、燃料ガスのストイキ比を燃料ストイキ比と表記する場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－０９１９２２号公報

【文献】特開２０１９－１３９９６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

先に述べたように、燃料電池スタックの内部の湿度が適切な範囲を外れると発電効率が下がる。発電効率が過度に下がると一定の出力電力を保持できなくなるおそれがある。本明細書は、燃料電池スタックの乾燥と水分過多を防ぐように適宜に酸化剤ストイキ比と燃料ストイキ比と供給圧を適宜に調整し、一定の出力電力を長時間にわたって出力し続けることのできる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コントローラを備える。コントローラは、燃料電池スタックの出力電力を一定に保つとともに、燃料電池スタックに供給する酸化剤ストイキ比と燃料ストイキ比と、酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給圧を調整する。コントローラは、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比に調整し、酸化剤ガスの燃料電池スタックへの供給圧を第１圧力に調整し、燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比に調整して燃料電池スタックを運転する。コントローラは、燃料電池スタックの出力電流が所定の加湿開始電流値を超えたら、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、供給圧を第１圧力から第２圧力に変更し、燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更する。第２酸化剤ストイキ比は第１酸化剤ストイキ比よりも小さく、第２燃料ストイキ比は第１燃料ストイキ比よりも大きい。第２圧力は第１圧力よりも高い。酸化剤ストイキ比を下げ、燃料ストイキ比を上げ、供給圧を上げることで、燃料電池スタックの内部が加湿される。

【0006】

本明細書が開示する燃料電池システムのコントローラは、燃料電池スタックの出力電流をモニタする。燃料電池スタックの内部が乾燥すると、発電効率が下がり、その結果、出力電圧が下がる。コントローラは、出力電力を一定に保持するので、出力電圧の低下を補うべく出力電流を増加させる。すなわち、出力電力が一定という条件下では、出力電流の増加が燃料電池スタックの乾燥の指標となる。コントローラは、出力電流が所定の閾値（加湿開始電流値）を超えると、燃料電池スタックの内部の湿度が適切な許容範囲よりも低下していると判断し、酸化剤ストイキ比を下げ、燃料ストイキ比を上げ、供給圧を上げる。ストイキ比と供給圧の変更により、燃料電池スタックの内部でアノードからカソードへの水分の移動量が増加し、湿度が上昇する。燃料電池スタックの内部の乾燥が緩和されることで、出力電圧が回復する。コントローラは、出力電圧の回復に伴い、出力電力が一定値を保つように、出力電流を下げる。

【0007】

本明細書が開示する技術は、出力電力を一定に保持する条件下で、乾燥と出力電圧低下の関係を利用する。出力電力を一定に保持するためには、出力電圧が下がると燃料電池システムのコントローラは出力電流を増加させる。コントローラは、出力電流が所定の加湿開始電流値を超えるとストイキ比と供給圧を変更し、燃料電池スタック内で加湿を促進させ、発電効率を回復させる。その結果、本明細書が開示する燃料電池システムは、長期間にわたって一定の出力電力を出力し続けることが可能となる。また、本明細書が開示する技術を採用することで、酸化剤ガスを加湿する加湿器を省くことができる、あるいは、加湿器が故障した場合でも燃料電池スタックの出力電力を一定に保持することができる。

【0008】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例の燃料電池システムを含む燃料電池車のブロック図である。

【図2】燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。

【図3】燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである（第１変形例）。

【図4】燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである（第２変形例）。

【図5】燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである（第３変形例）。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。燃料電池システム２は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、燃料電池システム２を含む電気自動車１００のブロック図を示す。電気自動車１００は、燃料電池システム２から電力を得て、電気モータ１０３で走行する。燃料電池システム２の出力電力はインバータ１０２で交流に変換され、電気モータ１０３に供給される。

【0011】

燃料電池システム２は燃料電池スタック１０とバッテリ３と昇圧コンバータ４を備えている。以下では、説明を簡単にするため、燃料電池スタック１０をＦＣスタック１０と表記する場合がある。

【0012】

ＦＣスタック１０の出力電力は、昇圧コンバータ４で昇圧された後にインバータ１０２に供給される。昇圧コンバータ４の出力端にバッテリ３が接続されている。インバータ１０２には、昇圧されたＦＣスタック１０の出力電力とバッテリ３の出力電力が供給される。

【0013】

昇圧コンバータ４は後述するコントローラ５によって制御される。昇圧コンバータ４の出力電圧を高くするとインバータ１０２に供給される電流のうち、ＦＣスタック１０の電流の割合が高まり、バッテリ３の電流の割合が下がる。逆に、昇圧コンバータ４の出力電圧を低くするとインバータ１０２に供給される電流のうち、ＦＣスタック１０の電流の割合が下がり、バッテリ３の電流の割合が高まる。すなわち、コントローラ５は、昇圧コンバータ４の昇圧比を調整することで、ＦＣスタック１０から出力される電流を制御することができる。

【0014】

ＦＣスタック１０の出力端には、ＦＣスタック１０の出力電圧を計測する電圧センサ６と、ＦＣスタック１０の出力電流を計測する電流センサ７が備えられている。コントローラ５は、電圧センサ６と電流センサ７の計測値に基づき、ＦＣスタック１０の出力電力（すなわち、電圧センサ６の計測値と電流センサ７の計測値の積）が一定になるように、昇圧コンバータ４を制御する。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電圧が低下したら、昇圧コンバータ４の出力電圧を上げ、ＦＣスタック１０の出力電流を増加させる。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電圧が増加したら、昇圧コンバータ４の出力電圧を下げ、ＦＣスタック１０の出力電流を下げる。こうして、ＦＣスタック１０の出力電力が一定に保たれる。

【0015】

なお、ＦＣスタック１０が生成した電力のうち、電気モータ１０３で消費されなかった残りの電力はバッテリ３にチャージされる。

【0016】

ＦＣスタック１０について説明する。ＦＣスタック１０は、多数の燃料セルが積層された積層体である。図１では、理解を助けるため、ＦＣスタック１０を示す矩形の中に、１個の燃料セルの構造を模式的に表している。ＦＣスタック１０（燃料セル）では、電解質膜１３を挟んでアノード触媒層１２とカソード触媒層１４が対向している。アノード触媒層１２の外側（電解質膜１３とは反対側）にはアノード拡散層１１が位置している。カソード触媒層１４の外側（電解質膜１３とは反対側）にはカソード拡散層１５が位置している。

【0017】

アノード拡散層１１には、アノードガス入口１６ａを通じて燃料ガスが供給される。カソード拡散層１５には、カソードガス入口１７ａを通じて酸化剤ガス（空気）が供給される。燃料ガスに含まれる水素はイオン化し、アノード触媒層１２、電解質膜１３を通じてカソード触媒層１４に達する。カソード触媒層１４にて水素イオンは酸化剤ガス中の酸素と結合して水となる。アノード側では水素がイオン化し、カソード側で水素イオンが酸素と結合することで電子の流れ、すなわち電流が生成される。ＦＣスタック１０（ＦＣセル）における化学反応は良く知られているので詳しい説明は省略する。

【0018】

化学反応で余った燃料ガスと、化学反応で生成された不純物はアノードガス出口１６ｂから排出される。アノードガス出口１６ｂから排出されるガスはオフガスと称されることがある。

【0019】

生成された水、および、余った酸化剤ガス（空気）はカソードガス出口１７ｂから排出される。カソードガス出口１７ｂから排出されるガス（排出空気）にも水素および水が含まれ得る。

【0020】

燃料電池システム２における燃料ガス側の装備について説明する。燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０のアノード側へ燃料ガスを送るための装備として、燃料供給管２１、インジェクタ２２、オフガス排出管２３、気液分離器２４、戻し管２５、ポンプ２６、排気排水弁２７を備えている。

【0021】

燃料供給管２１は、燃料タンク２０とＦＣスタック１０を接続する。燃料供給管２１には２個の弁４１ａ、４１ｂ、インジェクタ２２、圧力センサ４２ａが接続されている。弁４１ａは主止弁であり、燃料電池システム２が停止している間、燃料タンク２０からの燃料ガスの放出を止める。弁４１ｂは調圧弁であり、インジェクタ２２に供給される燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ２２は、燃料ガスの圧力を高めてＦＣスタック１０に供給する。圧力センサ４２ａはインジェクタ２２の下流側に備えられており、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスの圧力を計測する。

【0022】

燃料供給管２１の一端はＦＣスタック１０のアノードガス入口１６ａに接続されており、燃料ガスをＦＣスタック１０のアノード拡散層１１に供給する。アノードガス出口１６ｂにはオフガス排出管２３の一端が接続されており、オフガス排出管２３の他端は気液分離器２４のガス入口２４ａに接続されている。

【0023】

気液分離器２４は、アノードガス出口１６ｂから排出されるオフガスを水素ガス（残燃料ガス）と不純物に分離する。気液分離器２４で分離される不純物の典型は、窒素ガスや水などである。窒素ガスは、カソード側に供給される酸化剤ガス（空気）に含まれている窒素が、電解質膜１３を通過してアノード側に達したものである。残燃料ガスはガス出口２４ｂから放出され、不純物は不純物排出口２４ｃから排出される。

【0024】

戻し管２５の一端が気液分離器２４のガス出口２４ｂに接続しており、戻し管２５の他端は燃料供給管２１に接続している。戻し管２５にはポンプ２６が取り付けられている。ポンプ２６は、気液分離器２４で分離された残燃料ガスを、燃料供給管２１へ押し込む。気液分離器２４の不純物排出口２４ｃには、排気排水弁２７が接続されている。排気排水弁２７の出口には排気管３２が接続されている。コントローラ５が排気排水弁２７を開くと、気液分離器２４でオフガスから分離された不純物が排気管３２に排出される。

【0025】

燃料電池システム２の酸化剤ガス供給側の装備について説明する。燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０のカソード側へ酸化剤ガス（空気）を送るための装備として、空気供給管３１、空気コンプレッサ３４、流量調整弁４１ｃ、調圧弁４１ｄを備えている。

【0026】

空気供給管３１の一端がＦＣスタック１０のカソードガス入口１７ａに接続しており、他端は外気に開放されている。空気供給管３１の途中に空気コンプレッサ３４、流量調整弁４１ｃ、圧力センサ４２ｂが取り付けられている。空気コンプレッサ３４が外気を圧縮し、空気供給管３１を通じて空気をＦＣスタック１０（カソード拡散層１５）へ供給する。ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂには排気管３２が接続されている。排気管３２には調圧弁４１ｄが取り付けられている。

【0027】

流量調整弁４１ｃは三方弁であり、空気供給管３１をバイパス管３３に接続する。バイパス管３３は、空気コンプレッサ３４が吸い込んだ空気の一部を、ＦＣスタック１０を迂回して排気管３２へ導く。流量調整弁４１ｃの開度を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給する酸化剤ガス(空気）の流量を調整することができる。流量調整弁４１ｃの開度を絞ると、ＦＣスタック１０へ供給される空気の流量が減る。

【0028】

また、調圧弁４１ｄの開度を調整することにより、ＦＣスタック１０（カソード拡散層１５）に供給される酸化剤ガス（空気）の圧力（供給圧）が調整される。調圧弁４１ｄの開度を絞ると、供給圧が高まる。流量調整弁４１ｃの下流側に圧力センサ４２ｂが接続されており、ＦＣスタック１０へ供給される酸化剤ガス（空気）の圧力（供給圧）を計測する。コントローラ５は、圧力センサ４２ｂの計測値をモニタしつつ、調圧弁４１ｄの開度を制御し、供給圧を調整する。

【0029】

排気管３２は、排気排水弁２７の出口と、カソードガス出口１７ｂに接続されている。排気管３２は、ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気と、排気排水弁２７の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する。排気管３２の下流側にはマフラ３５が接続されている。排出ガス（排出空気と不純物ガスの混合ガス）は、マフラ３５を通して外気に放出される。

【0030】

インジェクタ２２、ポンプ２６、弁４１ａ－４１ｄ、排気排水弁２７、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ１０１は、コントローラ５が制御する。圧力センサ４２ａ、４２ｂの計測値はコントローラ５に送られる。

【0031】

先に述べたように、コントローラ５は、電圧センサ６と電流センサ７の計測値に基づいて、ＦＣスタック１０の出力電力が一定となるように昇圧コンバータ４を制御する。また、コントローラ５は、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスのストイキ比（燃料ストイキ比）と酸化剤ガスのストイキ比（酸化剤ストイキ比）を調整する。コントローラ５は、流量調整弁４１ｃの開度を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給される酸化剤ガスの流量、すなわち、酸化剤ストイキ比を調整することができる。また、コントローラ５は、インジェクタ２２の出力を調整することで、ＦＣスタック１０へ供給される燃料ガスの流量、すなわち、燃料ストイキ比を調整することができる。先に述べたように、コントローラ５は、調圧弁４１ｄの開度を調整することで、ＦＣスタック１０への酸化剤ガスの供給圧を調整することができる。

【0032】

よく知られているように、酸化剤ストイキ比を比較的に高く設定し、燃料ストイキ比を比較的に低く設定すると、ＦＣスタック１０の内部で乾燥が進む（湿度が下がる）。逆に、酸化剤ストイキ比を比較的に低く設定し、燃料ストイキ比を比較的に高く設定すると、ＦＣスタック１０の内部が加湿される（湿度が上がる）。ＦＣスタック１０は、内部の湿度が所定の許容範囲を外れると発電効率が下がる。燃料電池システム２は、定期的に燃料ストイキ比と酸化剤ストイキ比と供給圧（酸化剤ガスのＦＣスタック１０への供給圧）を調整することで、ＦＣスタック１０の湿度を適度な許容範囲に保ちつつ、長期間にわたって出力電力を一定に保持することができる。以下、コントローラ５が実行する制御について説明する。

【0033】

コントローラ５は、次の２種類の設定値群を記憶している。第１設定値群は、第１酸化剤ストイキ比、第１燃料ストイキ比、および、第１圧力を含む。第２設定値群は、第２酸化剤ストイキ比、第２燃料ストイキ比、および、第２圧力を含む。第１圧力と第２圧力は、酸化剤ガスの供給圧の設定値である。第１設定値群と第２設定値群は、ともに、ＦＣスタック１０を運転するときの条件である。

【0034】

コントローラ５は、流量調整弁４１ｃの開度を制御して酸化剤ストイキ比を第１ストイキ比に調整し、調圧弁４１ｄの開度を制御して酸化剤ガスの供給圧を第１圧力に調整し、インジェクタ２２の出力を制御して燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比に調整する。コントローラ５は、所定の条件が成立すると、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、供給圧を第１圧力から第２圧力に変更し、前記燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更する。

【0035】

第１設定値群、すなわち、第１酸化剤ストイキ比、第１燃料ストイキ比、および、第１圧力は、理想的な発電効率が得られる値に設定されている。一方、理想的な発電効率が得られる第１設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転すると、ＦＣスタック１０の内部が徐々に乾燥していく。第２設定値群、すなわち、第２酸化剤ストイキ比、第２燃料ストイキ比、および、第２圧力は、発電効率は第１設置値群を用いた場合よりも下がるが、ＦＣスタック１０でアノードからカソードへ水分が十分に移動するように設定されている。第２酸化剤ストイキ比は第１酸化剤ストイキ比よりも小さく、第２圧力は第１圧力よりも高く、第２燃料ストイキ比は第１燃料ストイキ比よりも大きい。

【0036】

コントローラ５は、通常は第１設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転する。第１設定値群を用いたＦＣスタック１０の運転を続けると、ＦＣスタック１０の内部が徐々に乾燥していく。先に述べたように、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電力を一定に保持する。ＦＣスタック１０が乾燥していくと、ＦＣスタック１０の発電効率が落ち、出力電圧が低下していく。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電圧が低下すると、出力電流を増加させて出力電力を一定に保つ。すなわち、出力電力を一定に保つようにＦＣスタック１０を制御するとき、出力電流の増加がＦＣスタック１０の乾燥の進行の指標となる。コントローラ５は、出力電流が所定の閾値（加湿開始電流値）を超えたら、ＦＣスタック１０を運転する際の設定値群を第１設定値群から第２設定値群に変更する。すなわち、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値を超えたら、酸化剤ストイキ比を第１酸化剤ストイキ比から第２酸化剤ストイキ比に変更し、供給圧を第１圧力から第２圧力に変更し、燃料ストイキ比を第１燃料ストイキ比から第２燃料ストイキ比に変更する。第２設定値群を使ってＦＣスタック１０の運転を続けると、ＦＣスタック１０の内部が加湿され、乾燥状態が緩和する。

【0037】

ＦＣスタック１０の内部の乾燥状態が緩和すると、ＦＣスタック１０の発電効率が回復し、出力電圧が上昇する。コントローラ５は、出力電力を一定に保つべく、出力電圧の上昇に合わせて出力電流を下げる。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が所定の別の閾値（加湿停止電流値）を下回ったら、用いる設定値群を第２設定値群から第１設定値群に戻す。すなわち、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値を超えた後、加湿開始電流値よりも低い加湿停止電流値を下回ったら、酸化剤ストイキ比を第２酸化剤ストイキ比から第１酸化剤ストイキ比に戻し、供給圧を第２圧力から第１圧力に戻し、燃料ストイキ比を第２燃料ストイキ比から第１燃料ストイキ比に戻す。ＦＣスタック１０を運転するのに用いる設定値群を第１設定値群に戻すことによって、ＦＣスタック１０の加湿が止まる。以後は、ＦＣスタック１０の内部で再び徐々に乾燥が進む。コントローラ５は、第１設定値群と第２設定値群を交互に用いることによって、ＦＣスタック１０の内部の湿度を適切な許容範囲に保持し、出力電力を長期間にわたって一定に保つことができる。

【0038】

図２を用いて燃料電池システム２の動作を説明する。図２のタイムチャートにおいて、グラフＧ１はＦＣスタック１０の出力電力を示している。グラフＧ２は出力電圧を示し、グラフＧ３は出力電流を示す。グラフＧ４は流量調整弁４１ｃの開度を示し、グラフＧ５は酸化剤ストイキ比を示し、グラフＧ６は調圧弁４１ｄの開度を示す。グラフＧ７は酸化剤ガスの供給圧を示し、グラフＧ８はインジェクタ２２の出力を示し、グラフＧ９は燃料ストイキ比を示す。図３以降の図でも、Ｇ１－Ｇ９のグラフの意味は同じである。

【0039】

ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えるまでは、コントローラ５は、酸化剤ストイキ比が第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１となるように流量調整弁４１ｃの開度を第１開度Ｆｖ１に制御する。また、コントローラ５は、供給圧が第１圧力Ｐｓｐ１となるように調圧弁４１ｄの開度を第１開度Ｐｖ１に制御する。コントローラ５は、燃料ストイキ比が第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１となるようにインジェクタ２２の出力を第１インジェクタ出力Ｉｎ１に制御する。コントローラ５は、第１設定値群（第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１、第１圧力Ｐｓｐ１、第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１）を用いてＦＣスタック１０を運転する。

【0040】

第１設定値群は、理想的な発電効率が得られるように設定されている。一方、第１設定値群を用いると、ＦＣスタック１０の内部が徐々に乾燥していく。ＦＣスタック１０の内部の乾燥が進むとＦＣスタック１０の発電効率が下がる。ＦＣスタック１０の発電効率が下がるとＦＣスタック１０の出力電圧が低下する。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電力が一定となるように昇圧コンバータ４の出力電圧を高め、その結果、ＦＣスタック１０の出力電流が増加する。

【0041】

時刻Ｔ１にＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超える。時刻Ｔ１にて、コントローラ５は、酸化剤ストイキ比が第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１から第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２に下がるように、流量調整弁４１ｃの開度を第１開度Ｆｖ１から第２開度Ｆｖ２に絞る。コントローラ５は、供給圧が第１圧力Ｐｓｐ１から第２圧力Ｐｓｐ２に上がるように、調圧弁４１ｄの開度を第１開度Ｐｖ１から第２開度Ｐｖ２に絞る。調圧弁４１ｄはＦＣスタック１０の酸化剤ガス排出側の調圧弁であるから、調圧弁４１ｄの開度を絞るとＦＣスタック１０の供給圧が上昇する。

【0042】

さらに、コントローラ５は、燃料ストイキ比が第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１から第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２に上がるように、インジェクタ２２の出力を第１インジェクタ出力Ｉｎ１から第２インジェクタ出力Ｉｎ２へ高める。先に述べたように、第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２は第１酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ１よりも小さく、第２圧力Ｐｓｐ２は第１圧力Ｐｓｐ１よりも高く、第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２は第１燃料ストイキ比Ｆｓｔ１よりも大きい。

【0043】

第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２が大きいと、大量の水素が供給され、アノードからカソードへの水分の移動が促進される。また、第２圧力Ｐｓｐ２が大きいと、空気中の多くの水分がＦＣスタック１０に供給され、第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２が小さいと、ＦＣスタック１０のカソード側の内部の水（液体）の排出量が下がる。すなわち、供給圧を高め、酸化剤ストイキ比を下げることは、ＦＣスタック１０の加湿を促進する。

【0044】

第２設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転すると、ＦＣスタック１０の内部の乾燥が和らぎ、発電効率が回復し、ＦＣスタック１０の出力電圧が高くなる。コントローラ５は出力電力が一定となるように昇圧コンバータ４を制御するので、出力電圧の上昇とともに出力電流は下がる。時刻Ｔ２にＦＣスタック１０の出力電流が加湿停止電流値Ｉｔｈ２を下回る。このとき、コントローラ５は酸化剤ストイキ比などの設定値群を第２設定値群から第１設定値群に戻す。ＦＣスタック１０の内部の加湿が止まり、再び徐々に乾燥していく。時刻Ｔ３（および時刻Ｔ５）に出力電流が再び加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えるとコントローラ５は設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替える。ＦＣスタック１０の出力電流が徐々に低下し、時刻Ｔ４（時刻Ｔ６）に出力電流が加湿停止電流値を下回ると、コントローラ５は設定値群を再び第１設定値群に戻す。コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流に応じて第１設定値群と第２設定値群を交互に切り替えることで、長期間にわたってＦＣスタック１０の出力電力を一定に保つことができる。

【0045】

なお、流量調整弁４１ｃの開度などの変化は実際には応答遅れを伴う。しかし、図２のグラフＧ４－Ｇ９は、応答遅れを無視した理想的な変化を示していることに留意されたい。図３－図５のタイムチャートも、応答遅れを無視した理想的な変化を示していることに留意されたい。

【0046】

（第１変形例）図３を参照して、コントローラ５によるＦＣスタック１０の制御の第１変形例を説明する。第１変形例では、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えた後、加湿停止電流値Ｉｔｈ２を下回ったら、ＦＣスタック１０から水を抜く排水処理を実行する。図３のフローチャートでは、図２のフローチャートと同様に、ＦＣスタック１０の出力電流は時刻Ｔ１に加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超える。そこで、コントローラ５は、設定値群を第１設置値群から第２設定値群に切り替える。ＦＣスタック１０の出力電流は時刻Ｔ２に加湿停止電流値Ｉｔｈ２を下回る。時刻Ｔ２から時刻Ｔ２ａまでの間、コントローラ５は排水処理を実行する。排水処理では、コントローラ５は、流量調整弁４１ｃの開度を第３開度Ｆｖ３に高め、調圧弁４１ｄの開度を第１開度Ｐｖ１へ戻す。流量調整弁４１ｃを第３開度Ｆｖ３まで開くと、酸化剤ストイキ比は第３酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ３まで上昇する。調圧弁４１ｄを第１開度Ｐｖ１に戻すと、供給圧は第１圧力Ｐｓｐ１に戻る。

【0047】

流量調整弁４１ｃの第３開度Ｆｖ３は第１開度Ｆｖ１よりも大きく、ＦＣスタック１０に大量の酸化剤ガスが供給される。残余の酸化剤ガスの排出により、ＦＣスタック１０の内部に溜まった水が押し出される。コントローラ５は、時刻Ｔ２ａに、設定値群を第１設定値群に戻し、ＦＣスタック１０の運転を続ける。

【0048】

ＦＣスタック１０を運転するための設定値群を第１設定値群から第２設定値群に変更することで、ＦＣスタック１０の加湿が進み、ＦＣスタック１０の中の乾燥状態が緩和する。同時に、ＦＣスタック１０の内部に水が溜まるおそれがある。ＦＣスタック１０の内部に過度の水分が残っても発電効率が低下する。コントローラ５は、第２設定値群を用いてＦＣスタック１０の内部を加湿した後、排水処理を実行して余分の水分をＦＣスタック１０から排出する。余分な水分を排出することで、その後の発電効率が向上する。

【0049】

（第２変形例）図４を参照して、コントローラ５によるＦＣスタック１０の制御の第２変形例を説明する。図４は、第２変形例の処理のタイムチャートである。第２変形例では、コントローラ５は、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたら、第１設定値群を第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。コントローラ５は、所定の加湿時間ｄＴが経過したら、設定値群を第１設定値群に戻す。予め定められた加湿時間ｄＴは、ＦＣスタック１０の内部の乾燥が十分に解消されるように設定される。なお、コントローラ５は、加湿時間ｄＴが経過した後、ＦＣスタック１０から水を抜く排水処理を実行するようにしてもよい。排水処理については第１変形例で説明した通りである。

【0050】

（第３変形例）図５を参照してコントローラ５によるＦＣスタック１０の制御の第３変形例を説明する。図５は、第３変形例の処理のタイムチャートである。なお、図５では、流量調整弁４１ｃの開度（グラフＧ４）と調圧弁４１ｄの開度（グラフＧ６）とインジェクタ２２の出力（グラフＧ８）のタイムチャートは省略した。

【0051】

第３変形例では、コントローラ５は、第１設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転する。コントローラ５は、一定の周期Ｃｙで一定の加湿時間ｄＴの間、設定値を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。加湿時間ｄＴが経過したら、再び設定値を第２設定値群から第１設定値群に戻し、ＦＣスタック１０の運転を続ける。

【0052】

コントローラ５は、第１設定値群と第２設定値群を周期的に切り替える。ただし、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたら、コントローラ５は、周期にかかわらず、酸化剤ストイキ比を第２酸化剤ストイキ比Ｃｓｔ２に調整し、供給圧を第２圧力Ｐｓｐ２に調整し、燃料ストイキ比を第２燃料ストイキ比Ｆｓｔ２に調整し、周期の計時をリスタートする。すなわち、第２設定値群を用いる周期をゼロからカウントし直す。周期の計時をリスタートした後、コントローラ５は、改めて、周期Ｃｙで一定の加湿時間ｄＴの間、設定値を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。すなわち、コントローラ５は、加湿時間ｄＴの間、第２設定値群を使ってＦＣスタック１０を運転する。加湿時間ｄＴが経過したら、設定値を第１設定値群に戻し、ＦＣスタック１０の運転を続ける。

【0053】

図５の例では、時刻Ｔ１で設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。時刻Ｔ１から加湿時間ｄＴが経過したら設定値群を第１設定値群に戻す。コントローラ５は、時刻Ｔ１の次には時刻Ｔ２（時刻Ｔ１＋周期Ｃｙ）に設定値群を第２設定値群に切り替える予定である。

【0054】

例えば、時刻Ｔ２よりも前の時刻Ｔ３にＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超える。コントローラ５は、出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたことを検知すると、周期に関わらずに、設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替えてＦＣスタック１０を運転する。コントローラ５は、加湿時間ｄＴが経過したら、設定値群を第１設定値群に戻す。

【0055】

コントローラ５は、時刻Ｔ３に周期の経時をリスタートする。すなわち、コントローラ５は、時刻Ｔ３の次には時刻Ｔ４（時刻Ｔ３＋周期Ｃｙ）に、設定値群を第１設定値群から第２設定値群に切り替える。

【0056】

第３変形例では、コントローラ５は、第１設定値群と第２設定値群を周期的に切り替えながらＦＣスタック１０を運転する。ＦＣスタック１０をそのように運転することで、ＦＣスタック１０の内部の湿度を適切な許容範囲に維持しながら、一定の出力電力を安定して出力し続けることができる。ただし、ＦＣスタック１０の出力電流が加湿開始電流値Ｉｔｈ１を超えたら、周期に関わらずに第２設定値群を用いてＦＣスタック１０を運転し、ＦＣスタック１０の内部の乾燥を解消する。

【0057】

実施例の燃料電池システム２（変形例を含む）は、酸化剤ガスを加湿する加湿器を備えなくとも、一定の電力を長時間にわたって安定して出力することができる。あるいは、燃料システム２は、加湿器が故障していても、一定の電力を安定して出力することができる。

【0058】

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、流量調整弁４１ｃを制御することで酸化剤ストイキ比を調整する。酸化剤ストイキ比を変えるのに空気コンプレッサ３４を用いてもよい。燃料ストイキ比を変える手段、および、酸化剤ガスの供給圧を変える手段も、実施例の手段とは異なる手段を用いてもよい。同様に、ＦＣスタック１０を排水するのも、実施例の手段とは異なる手段を用いてもよい。

【0059】

また、ＦＣスタック１０の出力電力を一定に保持するのに、昇圧コンバータ４とは別のデバイスを用いてもよい。

【0060】

第１設定値群、すなわち、第１酸化剤ストイキ比、第１燃料ストイキ比、第１圧力は、燃料電池システム２に求められる出力電力に応じて変化してもよい。あるいは、第１設定値群は、ＦＣスタック１０に供給する燃料ガスの流量に応じて変化してもよい。ただし、第２酸化剤ストイキ比は、設定値群を第２設定値群へ切り替える直前の第１酸化剤ストイキ比よりも小さい。第２燃料ストイキ比は、設定値群を第２設定値群へ切り替える直前の第１燃料ストイキ比よりも大きい。第２圧力は、設定値群を第２設定値群へ切り替える直前の第１圧力よりも大きい。

【0061】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0062】

２：燃料電池システム ３：バッテリ ４：昇圧コンバータ ５：コントローラ ６：電圧センサ ７：電流センサ １０：燃料電池スタック（ＦＣスタック） ２０：燃料タンク ２１：燃料供給管 ２２：インジェクタ ２３：オフガス排出管 ２４：気液分離器 ２５：戻し管 ２６：ポンプ ２７：排気排水弁 ３１：空気供給管 ３２：排気管 ３３：バイパス管 ３４：空気コンプレッサ ３５：マフラ ４１ａ－４１ｄ：弁 ４２ａ、４２ｂ：圧力センサ １００：電気自動車 １０１：昇圧コンバータ １０２：インバータ １０３：電気モータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】