特許 7516805 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】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240709BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20240709BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20240709BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04225

H01M8/0444

H01M8/0438

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020058793

(22)【出願日】2020-03-27

(65)【公開番号】P2021158020

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-02-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002424

【氏名又は名称】ケー・ティー・アンド・エス弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】竹井 力

(72)【発明者】

【氏名】横田 敦吏

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 隆友

(72)【発明者】

【氏名】山田 尚也

(72)【発明者】

【氏名】小林 弘典

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０４１５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３６２９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２２０９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０３５８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０９５３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１８０８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５１７２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０２３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１９７６１６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノードとカソードを含む燃料電池スタックを有する燃料電池装置と、
空気中の酸素と窒素を分離する酸素富化モジュールと、前記酸素富化モジュールによって分離された前記窒素を含む窒素富化空気を前記アノードに供給する窒素供給経路と、前記酸素富化モジュールによって分離された前記酸素を含む酸素富化空気を前記カソードに供給する酸素供給経路と、を有する酸素富化装置と、
を備え、
前記燃料電池装置は、前記カソードの上流側で大気を接続する空気供給経路と、前記カソードの下流側で大気と接続する空気排出経路を有し、
前記酸素富化装置は、前記酸素富化モジュールと前記空気排出経路とを接続する空気循環経路を有し、
前記酸素供給経路は、前記酸素富化モジュールと前記空気供給経路とを接続し、
前記カソードに供給された酸素富化空気は、前記空気循環経路、前記酸素富化モジュールおよび前記酸素供給経路を通過して循環する、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池装置は、前記空気供給経路と前記酸素供給経路との接続部よりも上流に設けられ、前記空気供給経路と大気の間を封鎖する封鎖弁を有する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池装置は、前記アノードに供給される燃料ガスが循環する燃料ガス循環経路を有し、
前記窒素供給経路は、前記酸素富化モジュールと前記燃料ガス循環経路とを接続し、
前記酸素富化装置は、前記窒素供給経路と、前記燃料ガス循環経路との接続を遮断する遮断弁を有する、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池装置および前記酸素富化装置を制御する制御部をさらに備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池装置は、
前記アノード内の空気の窒素濃度を検知する窒素濃度検知部と、
前記カソード内の空気の酸素濃度を検知する酸素濃度検知部と、
を有し、
前記制御部は、前記アノード内の窒素濃度および前記カソード内の酸素濃度が所定濃度以上となった場合、前記燃料電池スタックを作動させる、
請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃料電池装置は、
前記アノードおよび前記カソード内の圧力を検知する圧力検知部と、
前記カソードから前記空気を排出する空気排出経路と、
を有し、
前記制御部は、前記圧力検知部によって検知した圧力が所定圧力以上の場合、前記空気排出経路から前記空気を排出する、
請求項４または５に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、酸素富化装置を用いた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックのアノード（水素燃料極）に水素が供給され、カソード（空気極）に空気が供給される。また、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池スタックに吸入する空気の一部を酸素富化モジュールに分流する。分流された空気は、酸素富化モジュールによって酸素と窒素に分離され、酸素濃度の高い酸素富化空気が、燃料電池スタックの吸入口に供給される。また、酸素富化モジュールによって分離された窒素を含む窒素の濃度の高い窒素富化空気は排気される。このように、特許文献１の燃料電池システムでは、分流した空気を酸素富化モジュールに供給することで、酸素富化モジュールによって分離した酸素を有効に利用している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１１５６２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の燃料電池システムでは、酸素富化空気を燃料電池スタックのカソードの乾燥を防止するために用いている。しかし、燃料電池スタックの触媒劣化の抑制に酸素富化空気を用いる点については考慮されていない。このような燃料電池システムでは、通常は、燃料電池スタックのアノードおよびカソードは、燃料電池スタックが始動する直前に、空気が充満している。このような状態で燃料電池スタックを始動すると、燃料電池スタックの触媒が劣化し、燃料電池スタックの出力低下の原因となる。

【0005】

また、特許文献１の燃料電池システムでは、窒素富化空気については、排気している。このため、酸素富化モジュールによって分離される窒素を有効に活用できてない。

【0006】

本開示の課題は、酸素富化モジュールによって分離される窒素と酸素を燃料電池スタックの劣化抑制に活用できる燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る燃料電池システムは、燃料電池装置と、酸素富化装置と、を備える。燃料電池装置は、アノードとカソードを含む燃料電池スタックを有する。酸素富化装置は、酸素富化モジュールと、窒素供給経路と、酸素供給経路と、を有する。酸素富化モジュールは、空気中の酸素と窒素を分離する。窒素供給経路は、酸素富化モジュールによって分離された窒素を含む窒素富化空気をアノードに供給する。酸素供給経路は、酸素富化装置によって分離された酸素を含む酸素富化空気をカソードに供給する。

【0008】

この燃料電池システムによれば、窒素濃度が高い窒素富化空気をアノードに供給できる。これによって、アノード内を、窒素濃度が高い窒素富化空気で充満できる。この結果、アノードの触媒劣化を抑制できる。また、カソード内を、酸素濃度が高い酸素富化空気で充満できる。これによって、カソードの触媒劣化を抑制できる。このため、酸素富化モジュールによって分離される窒素と酸素を燃料電池スタックの劣化抑制に活用できる燃料電池システムを提供できる。

【0009】

燃料電池装置は、空気供給経路と、空気排出経路と有してもよい。空気供給経路は、カソードの上流側と大気を接続してもよい。空気排出経路は、カソードの下流側で大気を接続してもよい。酸素富化装置は、空気循環経路を有してもよい。空気循環経路は、酸素富化モジュールと空気排出経路とを接続してもよい。酸素供給経路は、酸素富化モジュールと空気供給経路とを接続してもよい。カソードに供給された空気は、空気循環経路、酸素富化モジュール、および酸素供給経路を通過して循環してもよい。

【0010】

この構成によれば、カソードに供給される酸素富化空気は、酸素富化モジュールを繰り返し通過して循環する。酸素富化空気は、酸素富化モジュールを繰り返し通過することによって酸素濃度が上昇する。これによって、カソードに供給される空気が、酸素濃度がより高い酸素富化空気となる。

【0011】

燃料電池装置は、封鎖弁を有してもよい。封鎖弁は、空気供給経路と酸素供給経路との接続部よりも上流に設けられ、空気供給経路と大気の間を封鎖してもよい。

【0012】

この構成によれば、空気循環経路に大気中の空気が混入することを防止できる。これによって、空気循環経路を流れる空気中の酸素濃度が、低下することを防止できる。

【0013】

燃料電池装置は、燃料ガス循環経路を有してもよい。燃料ガス循環経路は、アノードに供給される燃料ガスが循環してもよい。窒素供給経路は、酸素富化モジュールと燃料ガス循環経路とを接続してもよい。酸素富化装置は、遮断弁を有してもよい。遮断弁は、窒素供給経路と、燃料ガス循環経路との接続を遮断弁してもよい。

【0014】

この構成によれば、酸素富化モジュールによって分離された窒素を、窒素供給路および燃料ガス循環経路を経由してアノードに供給できる。また、酸素富化装置は、酸素富化モジュールによって空気中の窒素を分離している間、遮断弁によって窒素供給経路と、燃料ガス循環経路との間を遮断できる。これによって、アノードに供給した窒素富化空気を燃料ガス循環経路およびアノード内に密閉することができる。この結果、アノード内の窒素富化空気の窒素濃度が低下することを防止できる。また、酸素富化モジュールによって空気中の窒素を分離している間、酸素富化モジュールから窒素が流出し、酸素富化モジュール内の窒素富化空気の窒素濃度が低下することも防止できる。

【0015】

燃料電池システムは、燃料電池装置および酸素富化装置を制御する制御部をさらに備えてもよい。

【0016】

燃料電池装置は、窒素濃度検知部と、酸素濃度検知部と、を有してもよい。窒素濃度検知部は、アノード内の空気の窒素濃度を検知してもよい。酸素濃度検知部は、カソード内の空気の酸素濃度を検知してもよい。制御部は、アノードの窒素濃度およびカソードの酸素濃度が所定濃度以上となった場合、燃料電池スタックを作動させてもよい。

【0017】

この構成によれば、アノードに供給する窒素富化空気の窒素濃度およびカソードに供給する酸素富化空気の酸素濃度が安定する。これによって、燃料電池スタックの触媒劣化をさらに抑制しやすい。

【0018】

燃料電池装置は、圧力検知部を有してもよい。圧力検知部は、アノードおよびカソード内の圧力を検知する。制御部は、圧力検知部によって検知した圧力が所定圧力以上の場合、空気排出経路から空気を排出してもよい。

【0019】

この構成によれば、アノードに供給する窒素富化空気およびカソードに供給する酸素富化空気の圧力を調整できる。これによって、アノードおよびカソードの故障を防止できる。

【発明の効果】

【0020】

本開示によれば、酸素富化モジュールによって分離される窒素と酸素を燃料電池スタックの劣化抑制に活用できる燃料電池システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本開示の実施形態による燃料電池システムのシステム図。

【図2】本開示の実施形態による酸素富化モジュール内を説明するための図。

【図3】本開示の実施形態による制御部が行う制御手順を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１に示す、実線または破線の太い矢印は後述する燃料ガス、空気、酸素富化空気、酸素富化酸素、および窒素富化空気の流れる方向を示し、以下の説明において、矢印の先端側が下流であり、反対側が上流である。

【0023】

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、レンジエクステンダー型プラグイン燃料電池自動車（ＰＦＣＶ）等の車両に搭載される。車両は、モータジェネレータ（Ｍ）８と、駆動用電池（ＢＴ）１０と、を備える。燃料電池システム１は、主として駆動用電池１０を充電する必要がある場合に起動される。燃料電池システム１は、発電した電力をＤＣ－ＤＣコンバータ（図示せず）で電圧を変換したのちに駆動用電池１０に供給する。また、燃料電池システム１は、駆動用電池１０からモータジェネレータ８への出力が不足する場合は、一時的にモータジェネレータ８へ電力の供給を行う。

【0024】

モータジェネレータ８は、減速機（図示せず）および駆動軸８ａを介して駆動輪８ｂを駆動する。モータジェネレータ８は、インバータ８ｃを介して、駆動用電池１０と接続される。また、インバータ８ｃは、制御部６と電気的に接続される。本実施形態では、モータジェネレータ８は、三相交流モータであり、制御部６からの指示に基づき、インバータ８ｃを介して力行と回生とに制御される。インバータ８ｃは、制御部６から力行を指示されると、駆動用電池１０から電力を受け取り、モータジェネレータ８に電力を供給して力行させる。一方、インバータ８ｃは、制御部６から回生を指示されると、モータジェネレータ８で発電した電力を受け取り、駆動用電池１０に電力を供給する。

【0025】

駆動用電池１０は、モータジェネレータ８に電力を供給する。本実施形態では、駆動用電池１０は、リチウムイオン電池等の二次電池で構成され、複数の電池セルをまとめて構成された図示しない電池モジュールを有する。駆動用電池１０は、モータジェネレータ８の電源として機能する。さらに駆動用電池１０は、電池モジュールの電圧などから充電率（State Of Charge、以下、ＳＯＣ）を算出する電池制御部１０ａに接続される。駆動用電池１０は、電池制御部１０ａを介して制御部６と電気的に接続される。

【0026】

本実施形態の燃料電池システム１は、発電装置としての燃料電池装置２と、酸素富化装置４と、制御部６と、を備える。

【0027】

燃料電池装置２は、燃料電池スタック１２と、空気供給経路１４と、大気吸気弁（封鎖弁の一例）１４ａと、過給機１６と、燃料ガス循環経路１８と、第１水素循環三方弁１８ａと、第２水素循環三方弁１８ｂと、燃料ガス供給経路２０と、燃料ガス排出経路２４と、空気排出経路２６と、カソード出口弁２６ａと、圧力センサ（圧力検知部の一例）２８と、アノード内窒素濃度センサ（窒素濃度検知部の一例）３０と、カソード内酸素濃度センサ（酸素濃度検知部の一例）３２と、を有する。

【0028】

燃料電池スタック１２は、燃料ガスと空気とが供給され、供給された燃料ガスと空気とによって化学反応を行い発電する。本実施形態では、燃料ガスは水素（Ｈ_２）である。燃料電池スタック１２は、発電した電力を駆動用電池１０に供給する。

【0029】

燃料電池スタック１２は、アノード１２ａとカソード１２ｂを含む。アノード１２ａは、アノード側電極触媒層（図示せず）を含む。本実施形態では、アノード側電極触媒層は、カーボン系材料からなる担体、もしくは、酸化スズ（ＳｎＯ_２）などのセラミックス系材料からなる担体に、白金（Ｐｔ）系材料からなる触媒を担持した電極触媒で構成される。

【0030】

アノード１２ａの上流には燃料ガス供給経路２０が接続され、水素タンク（図示せず）から燃料ガス供給経路２０を通過して水素が供給される。アノード１２ａに供給された水素は、アノード側電極触媒層の電極触媒によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは、カソード側電極触媒層に移動する。電子は、電流となってカソード１２ｂへ移動する。アノード１２ａの下流には、燃料ガスを排出する燃料ガス排出経路２４が接続され、アノード１２ａで分解されなかった水素が燃料ガス排出経路２４を介して排出される。

【0031】

燃料ガス循環経路１８は、燃料ガス排出経路２４と燃料ガス供給経路２０とを接続し、アノード１２ａに供給される燃料ガスの一部を循環し、再びアノード１２ａに供給する。燃料ガス循環経路１８は、燃料ガス供給経路２０と第１水素循環三方弁１８ａを介して接続される。

【0032】

第１水素循環三方弁１８ａは、三方のうち二方が、燃料ガス供給経路２０の上流と下流を接続し、残りの一方が燃料ガス循環経路１８と接続する。第１水素循環三方弁１８ａは、燃料ガス循環経路１８を封鎖する弁と、燃料ガス供給経路２０の上流側を封鎖する弁と、を含む。

【0033】

第１水素循環三方弁１８ａは、水素を再循環させる場合、燃料ガス供給経路２０の上流側の弁を閉じ、燃料ガス循環経路１８側の弁を開き、燃料ガス循環経路１８と燃料ガス供給経路２０の下流側（アノード１２ａ側）を連通する。一方、第１水素循環三方弁１８ａは、水素をアノード１２ａに供給する場合、燃料ガス循環経路１８側の弁を閉じ、燃料ガス供給経路２０の上流側の弁を開き、燃料ガス供給経路２０の上流と下流を連通する。

【0034】

また、燃料ガス循環経路１８は、燃料ガス排出経路２４と第２水素循環三方弁１８ｂを介して接続される。第２水素循環三方弁１８ｂは、三方のうち二方が、燃料ガス排出経路２４の上流と下流を接続し、残りの一方が燃料ガス循環経路１８と接続する。

【0035】

第２水素循環三方弁１８ｂは、燃料ガス循環経路１８を封鎖する弁と、燃料ガス排出経路２４の下流側を封鎖する弁を含む。第２水素循環三方弁１８ｂは、水素を再循環させる場合、燃料ガス排出経路２４の下流側の弁を閉じ、燃料ガス循環経路１８側の弁を開き、燃料ガス排出経路２４と燃料ガス循環経路１８を連通する。

【0036】

燃料ガス循環経路１８上には、循環ポンプ（図示せず）などで構成される水素循環システム１８ｃが設けられ、燃料ガス循環経路１８内の水素を圧送する。なお、水素循環システム１８ｃは、後述する窒素富化空気をアノード１２ａに供給する場合、酸素富化モジュール３４から窒素富化空気を燃料ガス循環経路１８に引き込む機能を有する。水素循環システム１８ｃは、制御部６と電気的に接続される。また、本実施形態では、第１水素循環三方弁１８ａおよび第２水素循環三方弁１８ｂはいずれも電磁弁であり、図示はしていないが、制御部６と電気的に接続され、制御部６によって制御される。以下明細書において説明する各弁についても同様である。

【0037】

カソード１２ｂは、アノード１２ａと電解質膜１２ｃを挟んで反対側に設けられる。カソード１２ｂは、カソード側電極触媒層（図示せず）を含む。本実施形態では、カソード側電極触媒層は、酸化スズ（ＳｎＯ_２）などのセラミックス系材料からなる担体に、白金（Ｐｔ）系材料からなる触媒を担持した電極触媒で構成される。

【0038】

カソード１２ｂの上流には、空気供給経路１４が接続される。空気供給経路１４は、カソード１２ｂの上流側で大気と接続し、大気中の空気を、フィルター１４ｂを介してカソード１２ｂに供給する。また、空気供給経路１４上は、大気吸気弁１４ａと、過給機１６と、インタークーラ１４ｃが設けられる。大気吸気弁１４ａは、空気供給経路１４に吸入する場合、弁を開いて上流と下流を連通させ、大気とカソード１２ｂを連通させる。過給機１６は、大気から空気を吸入するとともにカソード１２ｂに圧送する。インタークーラ１４ｃは、圧送する空気を冷却する。さらに、過給機１６は、後述する空気循環経路４０の酸素富化空気を圧送するポンプとしても機能する。本実施形態では過給機１６は電動ポンプであり、制御部６と電気的に接続される。

【0039】

カソード１２ｂの下流には、空気排出経路２６が接続される。空気排出経路２６は、カソード１２ｂの下流側で大気と接続し、カソード１２ｂで反応できなかった空気が大気中に排出する。空気排出経路２６上には、カソード出口弁２６ａが設けられる。カソード出口弁２６ａは、カソード１２ｂ内の空気を排出する場合、弁を開いて上流と下流を連通させ、カソード１２ｂと大気を連通させる。

【0040】

圧力センサ２８は、アノード１２ａおよびカソード１２ｂ内の圧力を検知する。また、アノード内窒素濃度センサ３０は、アノード１２ａ内の空気の窒素濃度を検知する。カソード内酸素濃度センサ３２は、カソード内の空気の酸素濃度を検知する。これらセンサは、制御部６と電気的に接続される。

【0041】

酸素富化装置４は、酸素富化モジュール３４と、窒素供給経路３６と、第１窒素供給三方弁３６ａと、第２窒素供給三方弁（遮断弁の一例）３６ｂと、酸素供給経路３８と、空気循環弁３８ａと、空気循環経路４０と、空気循環三方弁４０ａと、モジュール内酸素濃度センサ４２と、モジュール内窒素濃度センサ４４と、有する。

【0042】

酸素富化モジュール３４は、図２に示すように、酸素富化膜３４ａと上流室３４ｂと、下流室３４ｃと、を含む。酸素富化膜３４ａは、窒素と酸素の透過速度の違いを利用して空気中の酸素が先に透過する一方、窒素は遅れて透過することによって、空気中の酸素と窒素を分離する。したがって、上流室３４ｂには窒素濃度の高い窒素富化空気が充満し、下流室３４ｃには酸素濃度の高い酸素富化空気が充満する。酸素富化膜３４ａは、例えば、例えば高分子材料やセラミックス材料などによって形成される。モジュール内酸素濃度センサ４２は、下流室３４ｃの空気中の酸素濃度を検知する。また、モジュール内窒素濃度センサ４４は、上流室３４ｂの空気中の窒素濃度を検知する。

【0043】

窒素供給経路３６は、図１に示すように、酸素富化モジュール３４によって分離された窒素を含む窒素富化空気をアノード１２ａに供給する。窒素供給経路３６は、酸素富化モジュール３４の上流室３４ｂと、燃料ガス循環経路１８とを接続する。窒素供給経路３６上には、空気循環経路４０と接続する第１窒素供給三方弁３６ａと、燃料ガス循環経路１８と接続する第２窒素供給三方弁３６ｂと、逆流防止弁３６ｃと、が設けられる。

【0044】

第１窒素供給三方弁３６ａは、三方のうち二方が、窒素供給経路３６の上流と下流を接続し、残りの一方が空気循環経路４０と接続する。第１窒素供給三方弁３６ａは、空気循環経路４０を封鎖する弁と、窒素供給経路３６の下流側（酸素富化モジュール３４側 破線の太い矢印参照）を封鎖する弁と、を含む。

【0045】

第１窒素供給三方弁３６ａは、酸素富化モジュール３４から窒素富化空気をアノード１２ａに供給する場合、空気循環経路４０側の弁を閉じ、窒素供給経路３６の下流側の弁を開き、窒素供給経路３６の上流と下流を連通する。

【0046】

第２窒素供給三方弁３６ｂは、三方のうち二方が、燃料ガス循環経路１８の上流と下流を接続し、残りの一方が窒素供給経路３６と接続する。第２窒素供給三方弁３６ｂは、窒素供給経路３６を封鎖する弁と、燃料ガス循環経路１８の上流側（燃料ガス排出経路２４側）を封鎖する弁と、を含む。

【0047】

第２窒素供給三方弁３６ｂは、酸素富化モジュール３４から窒素富化空気をアノード１２ａに供給する場合、燃料ガス循環経路１８の上流側の弁を閉じ、燃料ガス循環経路１８側の弁を開き、窒素供給経路３６と燃料ガス循環経路１８の下流側（燃料ガス供給経路２０側）とを連通させる。このとき、逆流防止弁３６ｃは、窒素富化空気が下流（燃料ガス循環経路１８側）から上流（酸素富化モジュール３４側）に逆流することを防止する。

【0048】

一方、酸素富化モジュール３４から窒素富化空気をアノード１２ａに供給しない場合、第２窒素供給三方弁３６ｂは、窒素供給経路３６側の弁を閉じ、窒素供給経路３６と燃料ガス循環経路１８との接続を遮断する。このように、第２窒素供給三方弁３６ｂによって窒素供給経路３６と燃料ガス循環経路１８との接続を遮断することで、燃料ガス循環経路１８およびアノード１２ａ内に窒素富化酸素を密閉する。

【0049】

酸素供給経路３８は、酸素富化モジュール３４によって分離された酸素を含む酸素富化空気をカソード１２ｂに供給する。酸素供給経路３８は、酸素富化モジュール３４の下流室３４ｃと、空気供給経路１４とを接続する。本実施形態では、酸素供給経路３８は、空気供給経路１４の大気吸気弁１４ａよりも下流で、過給機１６よりも上流の接続部に接続される。すなわち、大気吸気弁１４ａは、接続部よりも上流に設けられる。酸素供給経路３８上には、空気循環弁３８ａと、逆流防止弁３８ｂと、が設けられる。空気循環弁３８ａは、酸素富化モジュール３４から酸素富化空気をカソード１２ｂに供給する場合、弁を開き上流（酸素富化モジュール３４側）と下流（空気供給経路１４側）とを連通させる。このとき、逆流防止弁３８ｂは、窒素富化空気が下流から上流に逆流することを防止する。

【0050】

空気循環経路４０は、酸素富化モジュール３４の上流室３４ｂと、空気排出経路２６と、を接続する。このように、空気循環経路４０は、カソード１２ｂに供給された酸素富化空気を、空気循環経路４０、酸素富化モジュール３４、および酸素供給経路３８を通過して循環させる。本実施形態では、空気循環経路４０は、窒素供給経路３６と、第１窒素供給三方弁３６ａを介して接続される。このように、空気循環経路４０と窒素供給経路３６とを接続することによって、カソード１２ｂに酸素富化空気を循環する循環経路を合理化できる。しかし、空気循環経路４０は、直接酸素富化モジュール３４の上流室３４ｂと接続してもよい。

【0051】

空気循環経路４０は、空気循環三方弁４０ａを介して空気排出経路２６と接続される。空気循環三方弁４０ａは、三方のうち二方が、空気排出経路２６の上流と下流を接続し、残りの一方が空気循環経路４０と接続する。空気循環三方弁４０ａは、空気循環経路４０を封鎖する弁と、空気排出経路２６の下流側（大気側）を封鎖する弁と、を含む。

【0052】

空気循環三方弁４０ａは、カソード１２ｂに供給された酸素富化空気を循環する場合、空気排出経路２６の下流側の弁を閉じて、空気循環経路４０側の弁を開き、空気排出経路２６の上流と、空気循環経路４０と、を連通させる。

【0053】

制御部６は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒоｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６ａに記憶されるソフトウェアによって実現される機能構成である。ＥＣＵ６ａは、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータと、によって構成される。ＥＣＵ６ａは、各センサおよび各種装置からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、燃料電池システム１が、所望の運転状態となるように燃料電池装置２および酸素富化装置４を制御する。また、制御部６は、駆動用電池１０の充電率（ＳＯＣ）を取得し、車両の走行状態などに応じて目標充電率Ｂｔを算出する。制御部６は、算出した目標充電率Ｂｔと充電率(ＳＯＣ)とに応じて、燃料電池装置２を起動して発電させる。制御部６は、ＤＣ－ＤＣコンバータ（図示無し）を制御して目標充電率Ｂｔまで駆動用電池１０を充電する。さらに、制御部６は、車両に要求される出力を演算し、インバータ８ｃを介してモータジェネレータ８を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

【0054】

次に、図３のフローチャートを用いて、本実施形態の制御部６の制御手順について説明する。制御部６は、図示しないイグニッションスイッチがオンされることで、制御動作を開始する。

【0055】

制御部６は、充電率（ＳＯＣ）を取得し、目標充電率Ｂｔ以下か否か判断する（Ｓ１）。制御部６は、目標充電率Ｂｔ以下の場合（Ｓ１ Ｙｅｓ）、Ｓ２に処理を進める。

【0056】

Ｓ２では、制御部６は、大気吸気弁１４ａ、空気循環弁３８ａ、およびカソード出口弁２６ａを開き、過給機１６を作動させ、空気循環三方弁４０ａの空気排出経路２６の下流側の弁を閉じ、空気循環経路４０側の弁を開き、第１窒素供給三方弁３６ａの空気循環経路４０側の弁を開き、窒素供給経路３６の下流側の弁を閉じる（以下明細書および図３において、この制御を酸素富化空気循環制御と記す）。制御部６は、このようにカソード１２ｂと、空気循環経路４０、酸素富化モジュール３４、および酸素供給経路３８を連通させ、酸素富化モジュール３４を通過した酸素富化空気を、カソード１２ｂに供給し、Ｓ３に処理を進める。

【0057】

Ｓ３では、制御部６は、モジュール内酸素濃度センサ４２からモジュール内酸素濃度Ｏｃ１を取得し、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第１所定酸素濃度ＯＴ１以上か否か判断する（Ｓ３）。制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第１所定酸素濃度ＯＴ１以上の場合（Ｓ３ Ｙｅｓ）、酸素富化モジュール３４が機能していると判断して、Ｓ４に処理を進める。

【0058】

Ｓ４では、制御部６は、大気吸気弁１４ａを閉じる。このように、制御部６は、大気吸気弁１４ａを閉じることで、循環する酸素富化空気に大気中の空気が混入することを防止する。これによって、制御部６は、酸素富化空気の酸素濃度が、低下することを防止できる。制御部６は、大気吸気弁１４ａを閉じると、Ｓ５に処理を進める。

【0059】

Ｓ５では、制御部６は、モジュール内酸素濃度センサ４２およびモジュール内窒素濃度センサ４４から、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１およびモジュール内窒素濃度Ｎｃ１を取得する。制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第２所定酸素濃度ＯＴ２以上、かつ、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第１所定窒素濃度ＮＴ１以上か否か判断する。

【0060】

制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第２所定酸素濃度ＯＴ２以上、かつ、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第１所定窒素濃度ＮＴ１以上の場合（Ｓ５ Ｙｅｓ）、アノード１２ａに窒素を供給できる状態と判断して、Ｓ６に処理を進める。

【0061】

Ｓ６では、制御部６は、過給機１６を停止し、空気循環弁３８ａを閉じ、第１窒素供給三方弁３６ａの空気循環経路４０側の弁を閉じ、窒素供給経路３６の下流側の弁を開き、窒素供給経路３６の上流と下流を連通する。制御部６は、第２窒素供給三方弁３６ｂの、燃料ガス循環経路１８の第２水素循環三方弁１８ｂ側の弁を閉じ、燃料ガス循環経路１８側の弁を開き、窒素供給経路３６と燃料ガス循環経路１８の下流側を連通する。制御部６は、第１水素循環三方弁１８ａの燃料ガス供給経路２０の上流側の弁を閉じ、燃料ガス循環経路１８側の弁を開き、燃料ガス循環経路１８と燃料ガス供給経路２０の下流側（アノード１２ａ側）を連通する。制御部６は、第２水素循環三方弁１８ｂの燃料ガス排出経路２４の下流側の弁を開き、燃料ガス循環経路１８側の弁を閉じ、燃料ガス排出経路２４と大気を連通する。そして、制御部６は水素循環システム１８ｃを作動させ、酸素富化モジュール３４の上流室３４ｂに充満した窒素富化空気を燃料ガス循環経路１８に引き込み、アノード１２ａに窒素を供給する（以下明細書および図３において、この制御を窒素富化空気供給制御と記す）。また、この状態では、制御部６は、空気循環三方弁４０ａの空気循環経路４０側の弁を開き、空気排出経路２６の下流側の弁を閉じカソード１２ｂの酸素富化空気が排気されないようにする。制御部６は窒素供給制御を行ったのち、Ｓ７に処理を進める。

【0062】

Ｓ７では、制御部６は、アノード内窒素濃度センサ３０からアノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２を取得する。制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が通常の空気に含まれる窒素濃度である通常窒素濃度ＮＲより大きいか否か判断する。制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が通常の空気に含まれる窒素濃度である通常窒素濃度ＮＲより大きい場合（Ｓ７ Ｙｅｓ）、窒素富化空気が問題なくアノード１２ａに供給されているとして、Ｓ８に処理を進める。

【0063】

Ｓ８では、制御部６は、第２窒素供給三方弁３６ｂは、窒素供給経路３６側の弁を閉じ、窒素供給経路３６と燃料ガス循環経路１８との接続を遮断する。また、制御部６は、第２水素循環三方弁１８ｂの燃料ガス排出経路２４の下流側の弁を閉じ、燃料ガス循環経路１８側の弁を開き、燃料ガス排出経路２４と燃料ガス循環経路１８を連通する。制御部６は、このようにして、アノード１２ａ、燃料ガス循環経路１８、燃料ガス供給経路２０の第１水素循環三方弁１８ａよりも下流側、および燃料ガス排出経路２４の第２水素循環三方弁１８ｂよりも上流側で構成される閉じられた経路の中に、窒素富化空気と密閉する（以下明細書および図３において、この制御を窒素富化空気密閉制御と記す）。これによって、制御部６は、アノード１２ａ内の窒素富化空気の窒素濃度が低下することを防止する。また、これによって、酸素富化空気循環制御の間、酸素富化モジュール３４から窒素が流出し、酸素富化モジュール３４内の窒素富化空気の窒素濃度が低下することも防止できる。制御部６は、窒素富化空気密閉制御を行った後、Ｓ９に処理を進める。

【0064】

Ｓ９では、制御部６は、再び酸素富化空気循環制御を行う。制御部６は、酸素富化空気循環制御を行った後、Ｓ１０に処理を進める。

【0065】

Ｓ１０では、制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第３所定酸素濃度ＯＴ３以上、かつ、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第２所定窒素濃度ＮＴ２以上であるか否か判断する。ここで、第３所定酸素濃度ＯＴ３は第２所定酸素濃度ＯＴ２よりも濃い濃度である。また、第２所定窒素濃度ＮＴ２は、第１所定窒素濃度ＮＴ１よりも濃い濃度である。このように制御部６は、酸素富化空気循環制御を繰り返し行うことで、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１およびモジュール内窒素濃度Ｎｃ１を上昇させる。制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第３所定酸素濃度ＯＴ３以上、かつ、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第２所定窒素濃度ＮＴ２以上である場合（Ｓ１０ Ｙｅｓ）、Ｓ１１に処理を進める。

【0066】

Ｓ１１では、制御部６は、再び窒素富化酸素供給制御を行う。制御部６は、窒素富化酸素供給制御を行ったのち、Ｓ１２に処理を進める。

【0067】

Ｓ１２では、制御部６は、圧力センサ２８からアノード１２ａの圧力Ｐｎおよびカソード１２ｂ内の圧力Ｐоを取得する。制御部６は、アノード１２ａの圧力Ｐｎが所定圧力Ｐｎｔ以下か否か判断する。また、制御部６は、カソード１２ｂ内の圧力Ｐоが所定圧力Ｐｏｔ以下か判断する。制御部６は、アノード１２ａの圧力Ｐｎが所定圧力Ｐｎｔ以下、かつ、カソード１２ｂ内の圧力Ｐоが所定圧力Ｐｏｔ以下の場合（Ｓ１２ Ｙｅｓ）、Ｓ１２に処理を進める。

【0068】

Ｓ１３では、制御部６は、アノード内窒素濃度センサ３０からアノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２を取得する。制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が第３所定窒素濃度ＮＴ３以上か否か判断する。制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が第３所定窒素濃度ＮＴ３以上である場合（Ｓ１３ Ｙｅｓ）、アノード１２ａ内の窒素濃度が上昇している判断して、Ｓ１４に処理を進める。

【0069】

Ｓ１４では、制御部６は、アノード内窒素濃度センサ３０からアノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２を取得する。また、制御部６は、カソード内酸素濃度センサ３２からカソード１２ｂ内の酸素濃度Ｏｃ２を取得する。制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が目標窒素濃度ＮＦ以上か否か判断する。同様に、制御部６は、カソード１２ｂ内の酸素濃度Ｏｃ２が目標酸素濃度ＯＦ以上か否か判断する。制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が目標窒素濃度ＮＦ以上、かつ、カソード１２ｂ内の酸素濃度Ｏｃ２が目標酸素濃度ＯＦ以上の場合（Ｓ１４ Ｙｅｓ）、アノード１２ａおよびカソード１２ｂの両方が、燃料電池スタック１２の劣化を防止できる酸素濃度および窒素濃度である判断し、Ｓ１５に処理を進める。

【0070】

Ｓ１５では、制御部６は、燃料電池スタック１２始動するため、高圧水素をアノード１２ａに供給する。制御部６は、第１水素循環三方弁１８ａの燃料ガス循環経路１８側の弁を閉じ、燃料ガス供給経路２０の上流側の弁を開き、燃料ガス供給経路２０の上流と下流を連通し、水素をアノード１２ａに供給する。制御部６は、第２水素循環三方弁１８ｂの燃料ガス循環経路１８側の弁を閉じ、燃料ガス排出経路２４の下流側の弁を開き、燃料ガス排出経路２４の上流と下流を連通する。これによって、制御部６は、アノード１２ａの下流と大気を接続し、水素を導入しやすくする。このとき、制御部６は、駆動用電池１０の充電率ＳＯＣを再度取得し、燃料電池スタック１２を始動すべき充電率か否か判断してもよい。

【0071】

さらに、制御部６は、大気吸気弁１４ａを開き、大気中の空気を導入する。また、制御部６は、空気循環三方弁４０ａの空気循環経路４０側の弁を閉じ、空気排出経路２６の下流側の弁を開き、空気排出経路２６の上流と下流を連通し、酸素富化空気の循環を停止する。制御部６は、カソード出口弁２６ａについては、燃料電池スタック１２の運転状況に合わせて適宜開く。制御部６は、このように各種弁を制御して燃料電池スタック１２を始動する。制御部６は、燃料電池スタック１２を始動すると、処理を最初に戻す。

【0072】

制御部６は、駆動用電池１０の充電率（ＳＯＣ）が目標充電率Ｂｔ未満の場合（Ｓ１ ＮＯ）、Ｓ１の前に処理を戻し、充電率（ＳＯＣ）が目標充電率Ｂｔとなるまで処理を進めない。また、制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第１所定酸素濃度ＯＴ１未満の場合（Ｓ３ ＮＯ）、Ｓ２の前に処理を戻し、酸素富化空気循環制御を継続する。

【0073】

制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第２所定酸素濃度ＯＴ２未満、または、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第１所定窒素濃度ＮＴ１未満の場合（Ｓ５ ＮＯ）、Ｓ１６に処理を進める。制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第２所定酸素濃度ＯＴ２以上、かつ、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第１所定窒素濃度ＮＴ１以上となるまで大気吸気弁１４ａは閉じた状態で酸素富化空気循環制御を継続する。

【0074】

制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が通常窒素濃度ＮＲ以下の場合（Ｓ７ ＮＯ）、Ｓ６の前に処理を戻し、窒素濃度Ｎｃ２が通常窒素濃度ＮＲより大きくなるまで窒素富化空気供給制御を続ける。

【0075】

制御部６は、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第３所定酸素濃度ＯＴ３未満、または、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第２所定窒素濃度ＮＴ２未満である場合（Ｓ１０ ＮＯ）、モジュール内酸素濃度Ｏｃ１が第３所定酸素濃度ＯＴ３以上、かつ、モジュール内窒素濃度Ｎｃ１が第２所定窒素濃度ＮＴ２以上となるまで、酸素富化空気循環制御を続ける。

【0076】

制御部６は、アノード１２ａの圧力Ｐｎが所定圧力Ｐｎｔ以上、または、カソード１２ｂ内の圧力Ｐоが所定圧力Ｐｏｔ以上の場合（Ｓ１２ ＮＯ）、Ｓ１７に処理を進める。

【0077】

Ｓ１７では、制御部６は、第２水素循環三方弁１８ｂの燃料ガス排出経路２４下流側の弁を開き、燃料ガス循環経路１８側の弁を閉じ、アノード１２ａの下流と大気を連通させる。また、制御部６は、空気循環三方弁４０ａの空気排出経路２６下流側の弁を開き、空気循環経路４０側の弁を閉じ、カソード１２ｂの下流と大気を連通させる（図３において、この制御を圧抜き制御と記す）。これによって、アノード１２ａ内の窒素富化空気が燃料ガス排出経路２４を経由して、大気に排出される。また、カソード１２ｂ内の酸素富化空気が空気排出経路２６を経由して、大気に排出される。このため、アノード１２ａ内およびカソード１２ｂ内の圧力が低下する。この結果、燃料電池スタック１２の故障を防止できる。

【0078】

制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が第３所定窒素濃度ＮＴ３未満である場合（Ｓ１３ ＮＯ）、Ｓ８の前に処理を戻す。制御部６は、このように窒素富化空気密閉制御、酸素富化空気循環制御、および、窒素富化空気供給制御を繰り返す。

【0079】

また、制御部６は、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が目標窒素濃度ＮＦ未満、また、カソード１２ｂ内の酸素濃度Ｏｃ２が目標酸素濃度ＯＦ未満の場合（Ｓ１４ Ｎｏ）、アノード１２ａ内の窒素濃度Ｎｃ２が目標窒素濃度ＮＦ以上、かつ、カソード１２ｂ内の酸素濃度Ｏｃ２が目標酸素濃度ＯＦ以上となるまで、窒素富化空気密閉制御、酸素富化空気循環制御、および、窒素富化空気供給制御を繰り返す。

【0080】

制御部６が上記のとおり制御を行うことで、カソード１２ｂに供給される酸素富化空気は、酸素富化モジュール３４を繰り返し通過して循環する。酸素富化空気は、酸素富化モジュール３４を繰り返し通過することによって酸素濃度が上昇すると同時に、酸素富化モジュール３４の窒素濃度も上昇する。これによって、制御部６は、アノード１２ａに供給する窒素富化空気の窒素濃度およびカソード１２ｂに供給する酸素富化空気の酸素濃度を、目標となる濃度まで上昇させることができる。このため、アノード１２ａに供給する窒素富化空気の窒素濃度およびカソード１２ｂに供給する酸素富化空気の酸素濃度が、安定する。この結果、燃料電池スタック１２の触媒劣化を抑制しやすい。このような、触媒劣化の効果は、カソード１２ｂの触媒がセラミックス系材料からなる担体の場合により顕著である。

【0081】

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、酸素富化空気循環制御において、燃料電池装置２の過給機１６を用いて酸素富化空気を循環させる。また、窒素富化空気供給制御において、燃料電池装置２の燃料ガス循環経路１８および水素循環システム１８ｃを用いて窒素富化空気をアノード１２ａに供給する。これによって、これら制御のために新たな圧送装置を用いる必要がない。このため、酸素富化モジュール３４によって分離される窒素と酸素を燃料電池スタック１２の劣化抑制に活用しながらも、コンパクトかつ低コストである燃料電池システム１を提供できる。

【0082】

また、本実施形態の燃料電池システム１は、レンジエクステンダー型プラグイン燃料電池自動車（ＰＦＣＶ）等の車両に搭載される。このため、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１２を始動させる前に、窒素富化空気密閉制御、酸素富化空気循環制御、および、窒素富化空気供給制御を行うことができる。これによって、燃料電池スタック１２を始動させる前に、アノード１２ａに供給する酸素富化空気の酸素濃度、およびカソード１２ｂに供給する窒素富化空気の窒素濃度を、目標濃度まで高めることができる。

【0083】

以上説明したとおり、本開示によれば、酸素富化モジュール３４によって分離される窒素と酸素を燃料電池スタック１２の劣化抑制に活用できる燃料電池システム１を提供できる。

【0084】

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

【0085】

（ａ）上記実施形態では、カソード１２ｂの電極触媒に用いる担体としてセラミックス系材料の酸化スズ用いたが、本開示はこれに限定されるものではない。セラミックス系材料であれば公知の電極材料を用いることができる。また、担体に用いるセラミックス系材料としては、雰囲気中の水蒸気を吸着できる等の理由から親水性を有するセラミックスを用いるのが好ましい。このようなセラミックスとしては、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化ジルコニウムなどがある。

【0086】

（ｂ）上記実施形態では、アノード１２ａの電極触媒として、カーボン系材料からなる担体、もしくは、酸化スズ（ＳｎＯ_２）などのセラミックス系材料からなる担体に、白金（Ｐｔ）系材料からなる触媒を担持した電極触媒を用いたが、本開示はこれに限定されるものではない。アノード１２ａの電極触媒は、公知の電極材料を用いることができる。

【0087】

（ｃ）上記実施形態では、制御部６は、充電率ＳＯＣが目標充電率Ｂｔとなった場合、酸素富化空気循環制御を行う例を用いて説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。制御部６は、燃料電池スタック１２が停止中から始動する場合、酸素富化空気循環制御を行ってもよい。

【0088】

（ｄ）上記実施形態では、燃料電池システム１は、レンジエクステンダー型プラグイン燃料電池自動車（ＰＦＣＶ）等の車両に搭載される例を用いて説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１２から直接モータジェネレータ８に電力を供給する車両に搭載されてもよい。

【符号の説明】

【0089】

１：燃料電池システム，２：燃料電池装置，４：酸素富化装置，６：制御部
１２：燃料電池スタック，１２ａ：アノード，１２ｂ：カソード
１４：空気供給経路，１４ａ：大気吸気弁（封鎖弁の一例）
１８：燃料ガス循環経路，２６：空気排出経路，２８：圧力センサ（圧力検知部の一例）
３０：アノード内窒素濃度センサ（窒素濃度検知部の一例）
３２：カソード内酸素濃度センサ（酸素濃度検知部の一例）
３４：酸素富化モジュール，３６：窒素供給経路
３６ｂ：第２窒素供給三方弁（遮断弁の一例），３８：酸素供給経路，
４０：空気循環経路，
ＯＦ：目標酸素濃度，ＮＦ：目標窒素濃度
Ｐｎ：アノード内の圧力 Ｐｏ：カソード内の圧力
Ｐｎｔ ：所定圧力，Ｐｏｔ ：所定圧力

【図1】

【図2】

【図3】