(57)【要約】【課題】  燃料電池システムからの出力電流の変化時にカソード電極に供給される酸化ガスの流量などを電流指令値に応じて制御することにより、電解質膜を良好な湿潤状態に保持して燃料電池の高い出力電流を維持する。【解決手段】  消費電流が増加して電流指令値が増加状態にあるときは、燃料電池のカソード電極に供給される酸化ガスの流量を定常状態時より減少させ、消費電流が減少して電流指令値が減少状態にあるときは、酸化ガスの流量を定常状態時より増加させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体がセパレータ間に挟持され、該アノード電極に当接された前記セパレータには前記アノード電極に燃料を導入する燃料流路が設けられ、前記カソード電極に当接された前記セパレータには前記カソード電極に酸化ガスを導入する酸化ガス流路が設けられてモジュールが構成され、該モジュールが複数個積層されるとともに、各モジュールの前記燃料流路および酸化ガス流路と夫々連通する供給口、並びに前記アノード電極から導出されるアノードオフガスおよびカソード電極から導出されるカソードオフガスを夫々排出する排出口を備えた燃料電池と、
前記供給口から燃料電池に供給される酸化ガスを前記排出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気により加湿する加湿器と、
消費電流に応じて前記燃料電池の電流指令値を設定し、該電流指令値に応じて各供給口から前記燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記加湿器を介して供給口から前記燃料電池に供給される酸化ガスの流量を、電流指令値の増加状態時に、定常状態時より減少させる制御、および該酸化ガスの流量を、電流指令値の減少状態時に、定常状態時より増加させる制御の少なくとも一方の制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記制御装置は、前記電流指令値の増加状態時に定常状態時より減少させる酸化ガス流量の減少量を、電流指令値の増加量が大きいほど大きく、または増加開始時の電流指令値が小さいほど大きくする制御、および前記電流指令値の減少状態時に定常状態時より増加させる酸化ガス流量の増加量を、電流指令値の減少量が大きいほど大きく、または減少終了時の電流指令値が小さいほど大きくする制御の少なくとも一方の制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体がセパレータ間に挟持され、該アノード電極に当接された前記セパレータには前記アノード電極に燃料を導入する燃料流路が設けられ、前記カソード電極に当接された前記セパレータには前記カソード電極に酸化ガスを導入する酸化ガス流路が設けられてモジュールが構成され、該モジュールが複数個積層されるとともに、各モジュールの前記燃料流路および酸化ガス流路と夫々連通する供給口、並びに前記アノード電極から導出されるアノードオフガスおよびカソード電極から導出されるカソードオフガスを夫々排出する排出口を備えた燃料電池と、
前記供給口から燃料電池に供給される酸化ガスを前記排出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気により加湿する加湿器と、
消費電流に応じて前記燃料電池の電流指令値を設定し、該電流指令値に応じて各供給口から前記燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記加湿器を介して供給口から前記燃料電池に供給される酸化ガスの流量を、前記電流指令値の増加より遅れて増加させる制御、および該酸化ガスの流量を、前記電流指令値の減少より遅れて減少させる制御の少なくとも一方の制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３において、前記制御装置は、前記電流指令値の増加より酸化ガスの流量の増加を遅らせる遅れ時間を、電流指令値の増加量が大きいほど長く、または増加開始時の電流指令値が小さいほど長くする制御、および前記電流指令値の減少より酸化ガスの流量の減少を遅らせる遅れ時間を、電流指令値の減少量が大きいほど長く、または減少終了時の電流指令値が小さいほど長くする制御の少なくとも一方の制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体がセパレータ間に挟持され、該アノード電極に当接された前記セパレータには前記アノード電極に燃料を導入する燃料流路が設けられ、前記カソード電極に当接された前記セパレータには前記カソード電極に酸化ガスを導入する酸化ガス流路が設けられてモジュールが構成され、該モジュール両端のセパレータの少なくとも一方に冷媒を流通させる冷媒流路が設けられ、該モジュールが複数個積層されるとともに、各モジュールの前記燃料流路および酸化ガス流路と夫々連通する供給口、前記アノード電極から導出されるアノードオフガスおよびカソード電極から導出されるカソードオフガスを夫々排出する排出口、並びに前記冷媒流路と連通されて冷媒を供給する供給口および前記冷媒流路と連通されて冷媒を排出する排出口を備えた燃料電池と、
前記供給口から燃料電池に供給される酸化ガスを前記排出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気により加湿する加湿器と、
消費電流に応じて前記燃料電池の電流指令値を設定し、該電流指令値に応じて各供給口から前記燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記供給口から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御することにより前記燃料電池の運転温度を、前記電流指令値の増加状態時は定常状態時より低下させる制御、および前記冷媒の流量を制御することにより前記電流指令値の減少状態時は定常状態時より上昇させる制御の少なくとも一方の制御を行なうことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５において、前記電流指令値の増加状態時に定常状態時より低下させる前記燃料電池の運転温度の低下量は、電流指令値の増加量が大きいほど大きく、増加開始時の電流指令値が小さいほど大きくし、前記電流指令値の減少状態時に定常状態時より上昇させる前記燃料電池の運転温度の上昇量は、前記電流指令値の減少量が大きいほど大きく、または減少終了時の電流指令値が小さいほど大きくす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、燃料および酸化ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の高い出力電流を維持するために、燃料電池の電解質膜を十分に湿潤状態に保持することが行なわれている。特許文献１に記載された固定高分子電解質型燃料電池発電装置では、燃料電池は、電解質膜を挟んで配置した電極触媒層を有するアノード電極およびカソード電極と、冷却媒体によって冷却する冷却装置とを有し、アノード電極に水素を含む燃料ガス、カソード電極に酸化ガスが導入される。燃料電池から排出される反応後の空気中の水蒸気分圧が計測される。この計測値と予め設定した基準値との差である上昇値を監視し、空気中の水蒸気分圧の上昇値が所定値となった際に電解質膜の加湿状態が異常と判断し、燃料電池に供給する空気流量を減少、または燃料電池に供給する冷却媒体の流量を増加する制御が行なわれている。
【特許文献１】特開２００２−２３１２８３号公報（第４，５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された燃料電池発電装置では、燃料電池から排出される反応後の空気中の水蒸気分圧を計測し、この計測した空気中の水蒸気分圧が基準値より所定値を超えて上昇すると、電解質膜の加湿状態が異常と判断し、燃料電池に供給する空気流量を減少、または燃料電池に供給する冷却媒体の流量を増加しているので、基準値からの上昇を許容する所定値を小さくとると制御がハンチングをきたし、大きくとると応答遅れが大きくなって出力電流の低下が大きくなり、運転不能になることがある。また、電解質膜、およびカソード電極に導入される酸化ガスを加湿する加湿器等の特性は経年変化するので、反応後の空気中の水蒸気分圧を同一の基準値と比較し、両者の差に基づいて制御するだけでは電解質膜を常に良好な湿潤状態に保持することは困難である。
【０００４】
本発明は、燃料電池システムからの出力電流の変化時にカソード電極に導入される酸化ガスの流量等を電流指令値に応じて制御することにより、電解質膜を良好な湿潤状態に保持して燃料電池の高い出力電流を維持可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体がセパレータ間に挟持され、該アノード電極に当接された前記セパレータには前記アノード電極に燃料を導入する燃料流路が設けられ、前記カソード電極に当接された前記セパレータには前記カソード電極に酸化ガスを導入する酸化ガス流路が設けられてモジュールが構成され、該モジュールが複数個積層されるとともに、各モジュールの前記燃料流路および酸化ガス流路と夫々連通する供給口、並びに前記アノード電極から導出されるアノードオフガスおよびカソード電極から導出されるカソードオフガスを夫々排出する排出口を備えた燃料電池と、前記供給口から燃料電池に供給される酸化ガスを前記排出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気により加湿する加湿器と、消費電流に応じて前記燃料電池の電流指令値を設定し、該電流指令値に応じて各供給口から前記燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記加湿器を介して供給口から前記燃料電池に供給される酸化ガスの流量を、電流指令値の増加状態時に、定常状態時より減少させる制御、および該酸化ガスの流量を、電流指令値の減少状態時に、定常状態時より増加させる制御の少なくとも一方の制御を行なうことである。
【０００６】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記制御装置は、前記電流指令値の増加状態時に定常状態時より減少させる酸化ガス流量の減少量を、電流指令値の増加量が大きいほど大きく、または増加開始時の電流指令値が小さいほど大きくする制御、および前記電流指令値の減少状態時に定常状態時より増加させる酸化ガス流量の増加量を、電流指令値の減少量が大きいほど大きく、または減少終了時の電流指令値が小さいほど大きくする制御の少なくとも一方の制御を行なうことである。
【０００７】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体がセパレータ間に挟持され、該アノード電極に当接された前記セパレータには前記アノード電極に燃料を導入する燃料流路が設けられ、前記カソード電極に当接された前記セパレータには前記カソード電極に酸化ガスを導入する酸化ガス流路が設けられてモジュールが構成され、該モジュールが複数個積層されるとともに、各モジュールの前記燃料流路および酸化ガス流路と夫々連通する供給口、並びに前記アノード電極から導出されるアノードオフガスおよびカソード電極から導出されるカソードオフガスを夫々排出する排出口を備えた燃料電池と、前記供給口から燃料電池に供給される酸化ガスを前記排出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気により加湿する加湿器と、消費電流に応じて前記燃料電池の電流指令値を設定し、該電流指令値に応じて各供給口から前記燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記加湿器を介して供給口から前記燃料電池に供給される酸化ガスの流量を、前記電流指令値の増加より遅れて増加させる制御、および該酸化ガスの流量を、前記電流指令値の減少より遅れて減少させる制御の少なくとも一方の制御を行なうことである。
【０００８】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項３において、前記制御装置は、前記電流指令値の増加より酸化ガスの流量の増加を遅らせる遅れ時間を、電流指令値の増加量が大きいほど長く、または増加開始時の電流指令値が小さいほど長くする制御、および前記電流指令値の減少より酸化ガスの流量の減少を遅らせる遅れ時間を、電流指令値の減少量が大きいほど長く、または減少終了時の電流指令値が小さいほど長くする制御の少なくとも一方の制御を行なうことである。
【０００９】
請求項５に係る発明の構成上の特徴は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体がセパレータ間に挟持され、該アノード電極に当接された前記セパレータには前記アノード電極に燃料を導入する燃料流路が設けられ、前記カソード電極に当接された前記セパレータには前記カソード電極に酸化ガスを導入する酸化ガス流路が設けられてモジュールが構成され、該モジュール両端のセパレータの少なくとも一方に冷媒を流通させる冷媒流路が設けられ、該モジュールが複数個積層されるとともに、各モジュールの前記燃料流路および酸化ガス流路と夫々連通する供給口、前記アノード電極から導出されるアノードオフガスおよびカソード電極から導出されるカソードオフガスを夫々排出する排出口、並びに前記冷媒流路と連通されて冷媒を供給する供給口および前記冷媒流路と連通されて冷媒を排出する排出口を備えた燃料電池と、前記供給口から燃料電池に供給される酸化ガスを前記排出口から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気により加湿する加湿器と、消費電流に応じて前記燃料電池の電流指令値を設定し、該電流指令値に応じて各供給口から前記燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記供給口から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御することにより前記燃料電池の運転温度を、前記電流指令値の増加状態時は定常状態時より低下させる制御、および前記冷媒の流量を制御することにより前記電流指令値の減少状態時は定常状態時より上昇させる制御の少なくとも一方の制御を行なうことである。
【００１０】
請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項５において、前記電流指令値の増加状態時に定常状態時より低下させる前記燃料電池の運転温度の低下量は、電流指令値の増加量が大きいほど大きく、増加開始時の電流指令値が小さいほど大きくし、前記電流指令値の減少状態時に定常状態時より上昇させる前記燃料電池の運転温度の上昇量は、前記電流指令値の減少量が大きいほど大きく、または減少終了時の電流指令値が小さいほど大きくすることである。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、加湿器を介して燃料電池に供給されカソード電極に導入される酸化ガスの流量は、電流指令値の増加状態時は、定常状態時より減少され、電流指令値の減少状態時は、定常状態時より増加される。
【００１２】
電流指令値が定常状態にあるとき、燃料電池は平衡状態となり、カソード電極から導出される未反応の酸化ガスであるカソードオフガスも平衡温度となり、燃料電池の電解質膜が良好な湿潤状態に保持されるようになっている。電流指令値が増加状態にあるとき、燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量が増加されても燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度は遅れて上昇するので、電流指令値の増加に対しカソードオフガスの温度上昇に応答遅れが生じる。電流指令値が減少状態にあるとき、燃料電池に供給される燃料および酸化ガスの流量が減少されても燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度は遅れて下降するので、電流指令値の増加に対しカソードオフガスの温度下降に応答遅れが生じる。この応答遅れにより、電流指令値の増加状態時は、カソードオフガスの温度が定常状態時より低くなり、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿器でカソードオフガスから受け取る水蒸気量が定常状態時より少なくなる。また、応答遅れにより、電流指令値の減少状態時は、カソードオフガスの温度が定常状態時より高くなり、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿器でカソードオフガスから受け取る水蒸気量が定常状態時より多くなる。
【００１３】
従って、増加途中の電流指令値に対する酸化ガスの流量を定常状態時の流量と同じにすると、この増量された酸化ガスが加湿器でカソードオフガスから十分な水蒸気を受け取ることができず、反応後にカソードオフガスとなって電解質膜の水を奪って燃料電池から排出され燃料電池内の含水量が不足する。また、減少途中の電流指令値に対する酸化ガスの流量を定常状態時の流量と同じにすると、この減量された酸化ガスが加湿器でカソードオフガスから多くの水蒸気を受け取り、反応後にカソードオフガスとなってカソード電極で生成された水分を運び去ることができず、燃料電池内の含水量が過多となってフラッディングを引き起こす可能性が増大する。
【００１４】
本発明では、電流指令値が増加状態にあるとき、燃料電池に供給されてカソード電極に導入される酸化ガスの流量は定常状態時より減少される制御、および電流指令値が減少状態にあるとき、燃料電池に供給されてカソード電極に導入される酸化ガスの流量は定常状態時より増加される制御の少なくとも一方の制御が行なわれる。これにより、電流指令値が増加状態にあるとき、カソード電極に導入される酸化ガスの流量が定常状態時より減少されると、含有水蒸気は少ないが減量された酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって電解質膜の水を奪うことがなく、電解質膜は良好な湿潤状態に保持され、燃料電池は高い出力電流を維持することができる。なお、酸化ガスの酸素の利用率は一時的に高くなるが問題はない。また、電流指令値が減少状態にあるとき、カソード電極に導入される酸化ガスの流量が定常状態時より増加されると、含有水蒸気は多いが増量された酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなってカソード電極で生成された水を運び去り、燃料電池はフラッディングすることなく高い出力電流を維持することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、電流指令値の増加状態時に、酸化ガス流量が定常状態時より減少されるとき、酸化ガス流量の減少量は、電流指令値の増加量が大きいほど大きく、または増加開始時の電流指令値が小さいほど大きくされる。また、燃料電池の電流指令値の減少状態時に、酸化ガス流量が定常状態時より増加されるとき、酸化ガス流量の増加量は、電流指令値の減少量が大きいほど大きく、または減少終了時の電流指令値が小さいほど大きくされる。
【００１６】
電流指令値が増加される場合、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度は電流指令の増加量に応じて上昇する。電流指令値の増加状態時は、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿器でカソードオフガスから受け取る水蒸気量は定常状態時より少なくなるので、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の上昇量が大きいほど、この酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなる。電流指令値が燃料電池の最大電流値まで増加される場合、増加開始時の電流指令値が小さい方が燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の上昇量が大きくなり、カソードオフガスが燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなる。
【００１７】
また、電流指令値が減少される場合、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度は電流指令の減少量に応じて低下する。電流指令値の減少状態時は、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿器でカソードオフガスから受け取る水蒸気量は定常状態時より多くなるので、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の低下量が大きいほど、この酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなる。電流指令値が燃料電池の最大電流値から減少される場合、減少終了時の電流指令値が小さい方が燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の低下量が大きくなり、カソードオフガスが燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなる。
【００１８】
本発明では、電流指令値の増加状態時に、酸化ガス流量が定常状態時より減少されるとき、電流指令値の増加量が大きいほど、或いは増加開始時の電流指令値が小さいほど酸化ガスの流量を定常状態時より減少させる減少量を大きくすることにより、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の上昇量が大きいほど酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなることを相殺しているので、電流指令値の増加量、或いは増加開始時の電流指令値に拘わらず電解質膜を良好な加湿状態に維持することができる。
【００１９】
また、燃料電池の電流指令値の減少状態時に、酸化ガス流量が定常状態時より増加されるとき、電流指令値の減少量が大きいほど、或いは減少終了時の電流指令値が小さいほど酸化ガスの流量を定常状態時より増加させる増加量を大きくすることにより、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の低下量が大きいほど酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなることを相殺しているので、電流指令値の減少量、或いは減少終了時の電流指令値に拘わらず燃料電池内がフラッディングすることを防止できる。
【００２０】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、燃料電池に供給されてカソード電極に導入される酸化ガスの流量が、電流指令値の増加より遅れて増加される場合は、定常状態より含有水蒸気量が少ないが減量された酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって電解質膜の水を奪うことがなく、電解質膜を良好な湿潤状態に保持して燃料電池の高い出力電流を維持することができる。
【００２１】
また、酸化ガスの流量が電流指令値の減少より遅れて減少される場合は、定常状態より水蒸気を多く含むが増量された酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなってカソード電極で生成された水を運び去り、燃料電池がフラッディングすることなく高い出力電流を維持することができる。
【００２２】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、カソード電極に導入される酸化ガスの流量が、電流指令値の増加より遅れて増加される場合は、電流指令値の増加より酸化ガスの流量の増加を遅らせる遅れ時間を、電流指令値の増加量が大きいほど長く、増加開始時の電流指令値が小さいほど長くすることにより燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の上昇量が大きいほど酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなることを相殺しているので、電流指令値の増加量、或いは増加開始時の電流指令値に拘わらず電解質膜を良好な加湿状態に維持することができる。
【００２３】
また、酸化ガスの流量が電流指令値の減少より遅れて減少される場合は、電流指令値の減少より酸化ガスの流量の減少を遅らせる遅れ時間を、電流指令値の減少量が大きいほど長く、減少終了時の電流指令値が小さいほど長くすることにより、燃料電池の膜電極接合体の近傍の温度の低下量が大きいほど酸化ガスが反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなることを相殺しているので、電流指令値の減少量、或いは減少終了時の電流指令値に拘わらず燃料電池がフラッディングすることを防止できる。
【００２４】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、電流指令値が同じであるときの燃料電池の運転温度を、電流指令値の増加状態時は定常状態時より低下させると、カソードオフガスがカソード電極で受け取る水蒸気量が減少し、電解質膜を良好な湿潤状態に保持して燃料電池の高い出力電流を維持することができる。
【００２５】
また、電流指令値が同じであるときの燃料電池の運転温度を、電流指令値の減少状態時は定常状態時より上昇させると、運転温度が定常状態時より上昇されるので、カソードオフガスが受け取る水蒸気量が増加してカソード電極で生成された水を運び去り、燃料電池はフラッディングすることなく高い出力電流を維持することができる。
【００２６】
上記のように構成した請求項６に係る発明においては、電流指令値の増加状態時に燃料電池の運転温度が定常状態時より低下されとき、燃料電池の運転温度の低下量は、電流指令値の増加量が大きいほど大きく、増加開始時の電流指令値が小さいほど大きくされるので、カソードオフガスがカソード電極から受け取る水蒸気量が、電流指令値の増加量、或いは増加開始時の電流指令値に応じて減少し、電解質膜を良好な加湿状態に維持することができる。
【００２７】
また、電流指令値の減少状態時に燃料電池の運転温度が定常状態時より上昇されるとき、燃料電池の運転温度の上昇量は、電流指令値の減少量が大きいほど、または減少終了時の電流指令値が小さいほど大きくされるので、カソードオフガスがカソード電極で受け取る水蒸気量が、電流指令値の減少量、或いは減少終了時の電流指令値に応じて増加し、燃料電池がフラッディングすることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について説明する。燃料電池システム１０は、図１に示すように、供給される改質ガス（燃料）および空気（酸化ガス）に含まれる水素と酸素を反応させて発電する燃料電池１１、改質ガスを生成して燃料電池１１に供給する改質装置１２、燃料電池１１に供給される空気を燃料電池１１から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気で加湿する加湿器１３、燃料電池１１の出力電流を交流に変換して電力使用場所６０に供給するインバータ５８、および燃料電池１１の出力電流を制御する制御装置６３等を備えている。
【００２９】
燃料電池１１を構成するモジュール１４は、図２に示すように、電解質膜１５をアノード電極１６とカソード電極１７とで挟んだ膜電極接合体１８がセパレータ１９，２０間に挟持されている。電解質膜１５の外周縁部全周および両側端のセパレータ１９，２０の内面の外周縁部全周は接着剤２１により接着されてシールされている。セパレータ１９のアノード電極１６と当接する内面２２には、アノード電極１６に改質ガスを導入する改質ガス流路（燃料流路）２４が凹設されている。セパレータ２０のカソード電極１７と当接する内面２３には、カソード電極１７に空気（酸化ガス）を導入する空気流路（酸化ガス流路）２５が凹設されている。なお、燃料としては、改質ガス以外に、メタノールなどの液体燃料や、純水素などを使用する場合もある。モジュール１４の両側セパレータ１９，２０の外面２６，２７には、冷却水（冷媒）を流通する冷媒流路２８，２９が凹設された接合面３０，３１が夫々形成されるとともに、接合面３０，３１より外周側に接合面３０，３１より低いシール材当接面３２，３３が形成されている。
【００３０】
モジュール１４には、改質ガス流路２４に改質ガス、空気流路２５に空気、および冷媒流路２８，２９に冷却水を夫々導入する導入マニホールド３４，３５，３６がモジュール１４が積層されたとき各マニホールド３４〜３６が夫々連通するように積層方向に貫通して穿設されている。モジュール１４には、改質ガス流路２４からアノードオフガス、空気流路２５からカソードオフガス、および冷媒流路２８，２９から冷却水を導出する導出マニホールド３７，３８，３９がモジュール１４が積層されたとき各マニホールド３７〜３９が夫々連通するように積層方向に貫通して穿設されている。４０はモジュール１４が積層されたとき、シール材当接面３２，３３に押圧されて若干潰されるシール材で、冷媒流路２８，２９、導入および導出マニホールド３６，３９を包囲するとともに、導入マニホールド３４，３５および導出マニホールド３７，３８を夫々包囲して隔離する。
【００３１】
このように構成されたモジュール１４がシール材４０をシール材当接面間に挟んで積層され、エンドプレート４１とプレッシャプレート４２の間に配置されて燃料電池１１が構成されている。即ち、モジュール１４は、エンドプレート４１にテンションプレート４３で連結されたエンドプレート４４とプレッシャプレート４２との間に介在された圧縮スプリング４５のバネ力により、エンドプレート４１とプレッシャプレート４２との間に挟持され、エンドプレート４１には、導入マニホールド３４〜３６に改質ガス、空気、冷却水を夫々供給する供給口４６〜４８が設けられるとともに、導出マニホールド３７〜３９からアノードオフガス、カソードオフガス、冷却水を夫々排出する排出口４９〜５１が設けられている。積層されたモジュール１４とプレッシャプレート４２との間には、集電板および絶縁板等が配置されている。
【００３２】
改質装置１２は、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスがポンプ５２により流量制御されて供給され、水ポンプ５３により流量制御されて送られる純水が蒸発器で蒸発されて供給される。この改質用燃料ガスおよび水蒸気が、燃焼用燃料ガスと燃焼エアを燃焼部で燃焼させて生成した燃焼ガスにより改質部で加熱されて改質反応して改質ガスを生成し、この改質ガスが一酸化炭素低減部で一酸化炭素を低減されて燃料電池１１に供給される。
【００３３】
加湿器１３は、空気ポンプ５４と燃料電池１１との間に接続され、空気ポンプ５４により流量制御されて供給口４７から燃料電池１１に供給される空気を、排出口５０を通って燃料電池１１から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気で加湿するようになっている。加湿器１３は水蒸気交換式のもので、空気およびカソードオフガスが加湿器１３内に水蒸気透過膜或いは中空子膜等の膜５５を挟んで形成された通路５６，５７を流れる間に温度および水蒸気分圧が高いカソードオフガスから空気に水蒸気が移転される。
【００３４】
さらに、燃料電池システム１０は、インバータ（電力変換器）５８を備えている。インバータ５８は、燃料電池１１の出力電流を交流に変換して送電線５９を介して電力使用場所６０に供給するものである。電力使用場所６０には、電灯、テレビ、洗濯機、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である負荷装置（図示省略）が設置されており、インバータ５８から供給される交流電流が必要に応じて負荷装置に供給されている。なお、インバータ５８と電力使用場所６０とを接続する送電線５９には電力会社の系統電源６１も接続されており、燃料電池１１の出力電流より負荷装置の総消費電流が上回った場合、その不足電流を系統電源６１から受電して補うようになっている。電力使用場所６０で使用されている負荷装置の消費電流は、電流計６２によって検出され、制御装置６３に送信される。
【００３５】
制御装置６３はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、電流制御プログラムを実行して燃料電池１１の出力電流を制御している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは電流制御プログラム等を記憶するものである。
【００３６】
以下、上述した燃料電池システム１０の作動について説明する。電力使用場所６０で使用されている消費電流が、定常状態の場合（図４のＩu1参照）、制御装置６３は、電流計６２により検出された消費電流Ｉu1に等しい電流指令値Ｉｃを出力し、ポンプ５２および水ポンプ５３を電流指令値Ｉｃに応じて回転駆動させる。これにより、改質用燃料ガスおよび純水が蒸発器で蒸発された水蒸気が改質装置１２に供給されて改質部で改質されて改質ガスが生成され、この改質ガスが一酸化炭素低減部で一酸化炭素を低減され、電流指令値Ｉｃに対応した流量の改質ガスが供給口４６から燃料電池１１に供給されてアノード電極１６に導入される。制御装置６３は、電流指令値Ｉｃに対応した空気が供給口４７から燃料電池１１に供給されてカソード電極１７に導入されるような回転数で空気ポンプ５４を回転駆動させる。制御装置６３は電流指令値Ｉｃの電流を電力使用場所６０に送電するようにインバータ５８を制御し、燃料電池１１は電力使用場所６０で使用されている消費電流Ｉu1を発電する。
【００３７】
このとき、排出口５０を通って燃料電池１１から排出されるカソードオフガスは、加湿器１３の通路５７を通って外部に排出される。このカソードオフガスは空気ポンプ５４から送出され加湿器１３の通路５６を通る空気より温度および水蒸気分圧が高いので、加湿器１３内で水蒸気がカソードオフガスから空気に膜５５を通って移転される。これにより、燃料電池１１のカソード電極１７に導入される空気は加湿器１３でカソードオフガスにより適度に加湿されるので、この空気が反応後にカソードオフガスとなって電解質膜１５から水分を奪い去ることがなく、電解質膜１５は良好な湿潤状態に保持されて、燃料電池１１は高い出力電流を維持することができる。このように、電流指令値Ｉｃが定常状態にあるとき、燃料電池１１は平衡状態となり、カソード電極１７から導出される未反応の空気であるカソードオフガスも平衡温度となり、燃料電池１１の電解質膜１５が良好な湿潤状態に保持される。
【００３８】
電力使用場所６０で使用中の負荷装置の個数が増えて電流計６２により検出される消費電流がＩu2に増加した場合、制御装置６３は、消費電流Ｉu1からＩu2に時間の経過につれて漸増する電流指令値Ｉｃを演算し、ポンプ５２および水ポンプ５３の回転数を電流指令値Ｉｃに応じて漸増させる。改質装置１２から送出される改質ガスの流量が、電流指令値Ｉｃに応じて漸増し始めると、制御装置６３は、この時点ｔ０からの時間ｔの経過につれて漸増する電流指令値Ｉｃを出力し、電力使用場所６０に送電する電流が電流指令値Ｉｃに応じてＩu1からＩu2に漸増するようにインバータ５８を制御する。さらに制御装置６３は、空気ポンプ５４の回転数を制御し、各時間ｔにおける電流指令値Ｉｃに対し定常状態において送出する流量より減少された流量Ｑの空気を加湿器１３を介して供給口４７から燃料電池１１に供給する。
【００３９】
このように、燃料電池１１に供給される改質ガスの流量が漸増を開始した時点ｔ０から電流指令値Ｉｃが漸増される。ところが、電流指令値Ｉｃが増加状態にあるとき、燃料電池１１に供給される改質ガスおよび空気の流量が増加されても燃料電池１１の膜電極接合体１８の近傍の温度は遅れて上昇するので、電流指令値Ｉｃの増加に対しカソードオフガスの温度上昇に応答遅れが生じる。この応答遅れにより、電流指令値Ｉｃの増加状態時は、カソードオフガスの温度が定常状態時より低くなり、燃料電池１１に供給される空気が加湿器１３でカソードオフガスから受け取る水蒸気量が定常状態時より少なくなる。従って、増加途中の電流指令値Ｉｃに対する空気の流量を定常状態時の流量と同じにすると、この増量された空気が加湿器１３でカソードオフガスから十分な水蒸気を受け取ることができず、反応後にカソードオフガスとなって電解質膜１５の水を奪って燃料電池１１から排出され燃料電池内の含水量が不足する。
【００４０】
ところが、制御装置６３は電流指令値Ｉｃが増加状態にあるとき、燃料電池１１に供給されてカソード電極１７に導入される空気の流量Ｑを定常状態時より減少させるので、含有水蒸気は少ないが減量された空気が反応後にカソードオフガスとなって電解質膜１５の水を奪うことがなく、電解質膜１５は良好な湿潤状態に保持され、燃料電池１１は高い出力電流を維持することができる。このとき、空気の酸素の利用率は一時的に高くなるが問題はない。
【００４１】
電力使用場所６０で使用中の負荷装置の個数が減って電流計６２により検出される消費電流がＩu2からＩu1に減少した場合、制御装置６３は、消費電流Ｉu2からＩu1に時間の経過につれて漸減する電流指令値Ｉｃを演算し、ポンプ５２および水ポンプ５３の回転数を電流指令値Ｉｃに応じて漸減させる。改質装置１２から送出される改質ガスの流量が、電流指令値Ｉｃに応じて漸減し始めると、制御装置６３は、この時点ｔ１からの時間ｔの経過につれて漸減する電流指令値Ｉｃを出力し、電力使用場所６０に送電する電流が電流指令値Ｉｃに応じてＩu2からＩu1に漸減するようにインバータ５８を制御する。さらに制御装置６３は、空気ポンプ５４の回転数を制御し、各時間ｔにおける電流指令値Ｉｃに対し定常状態において送出する流量より増加された流量Ｑの空気を加湿器１３を介して供給口４７から燃料電池１１に供給する。
【００４２】
このように、燃料電池１１に供給される改質ガスの流量が漸減を開始した時点ｔ１から電流指令値Ｉｃが漸減される。ところが、電流指令値Ｉｃが減少状態にあるとき、燃料電池１１に供給される改質ガスおよび空気の流量が減少されても燃料電池１１の膜電極接合体１８の近傍の温度は遅れて低下するので、電流指令値Ｉｃの減少に対しカソードオフガスの温度低下に応答遅れが生じる。この応答遅れにより、電流指令値Ｉｃの減少状態時は、カソードオフガスの温度が定常状態時より高くなり、燃料電池１１に供給される空気が加湿器１３でカソードオフガスから受け取る水蒸気量が定常状態時より多くなる。従って、減少途中の電流指令値に対する空気の流量を定常状態時の流量と同じにすると、この減量された空気が加湿器でカソードオフガスから多くの水蒸気を受け取り、反応後にカソードオフガスとなってカソード電極で生成された水分を運び去ることができず、燃料電池内の含水量が過多となってフラッディングを引き起こす可能性が増大する。
【００４３】
ところが、制御装置６３は電流指令値Ｉｃが減少状態にあるとき、燃料電池１１に供給されてカソード電極１７に導入される空気の流量Ｑを定常状態時より増加させるので、含有水蒸気は多いが増量された空気が反応後にカソードオフガスとなってカソード電極１７で生成された水を運び去り、燃料電池１１はフラッディングすることなく高い出力電流を維持することができる。
【００４４】
電流指令値Ｉｃの増加状態時に、燃料電池１１に供給される空気の流量を定常状態時より減少させる減少量、および電流指令値Ｉｃの減少状態時に、燃料電池１１に供給される空気の流量を定常状態時より増加させる増加量は、試験により求められ、制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。また、改質装置１２に供給される改質用燃料ガスおよび純水の流量が増加され始めてから改質ガスの流量が漸増し始めるまでの遅れ時間、および改質装置１２に供給される改質用燃料ガスおよび純水の流量が減少され始めてから改質ガスの流量が漸減し始めるまでの遅れ時間も計測して制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。
【００４５】
図５に示すように、電力使用場所６０で使用中の負荷装置の個数が増えて電流計６２により検出される消費電流がＩu1からＩu2に増加し、電流指令値Ｉｃが、消費電流Ｉu1に対応する増加開始時の電流指令値Ｉcsから消費電流Ｉu2に対応する電流指令値Ｉcdまで漸増される場合、燃料電池１１の運転温度は電流指令値Ｉｃの増加量ＩＤ＝Ｉcd−Ｉcsに応じて上昇する。電流指令値Ｉｃの増加状態時は、燃料電池１１に供給される空気が加湿器１３でカソードオフガスから受け取る水蒸気量は定常状態時より少なくなるので、燃料電池１１の運転温度の上昇量が大きいほど、この空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなる。電流指令値Ｉｃが燃料電池１１の最大電流値Ｉmaxまで増加される場合、増加開始時の電流指令値Ｉcsが小さい方が燃料電池１１の運転温度の上昇量が大きくなり、カソードオフガスが燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなる。
【００４６】
ところが、制御装置６３は電流指令値の増加量ＩＤが大きいほど、或いは増加開始時の電流指令値Ｉcsが小さいほど空気の流量Ｑを定常状態時より減少させる減少量を大きくすることにより、燃料電池の運転温度の上昇量が大きいほど空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなることを相殺しているので、電流指令値の増加量ＩＤ、或いは増加開始時の電流指令値Ｉcsに拘わらず電解質膜を良好な加湿状態に維持することができる。なお、電流指令値Ｉｃの増加開始時期に、空気の流量Ｑが開始時点の定常状態時の空気の流量以下にされることはなく、電流指令値Ｉｃの増加終了後は、空気の流量Ｑは増加の傾きを変えずに終了時の定常状態時の空気の流量Ｑに徐々に戻される。
【００４７】
また、電力使用場所６０で使用中の負荷装置の個数が減って電流計６２により検出される消費電流がＩu2からＩu1に減少し、電流指令値Ｉｃが、消費電流Ｉu2に対応する減少開始時の電流指令値Ｉcsから消費電流Ｉu1に対応する電流指令値Ｉcdまで漸減される場合、燃料電池１１の運転温度は電流指令値Ｉｃの減少量ＩＬ＝Ｉcs−Ｉcdに応じて低下する。電流指令値Ｉｃの減少状態時は、燃料電池１１に供給される空気が加湿器１３でカソードオフガスから受け取る水蒸気量は定常状態時より多くなるので、燃料電池１１の運転温度の低下量が大きいほど、この空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなる。電流指令値Ｉｃが燃料電池１１の最大電流値Ｉmaxから減少される場合、減少終了時の電流指令値Ｉcdが小さい方が燃料電池１１の運転温度の低下量が大きくなり、カソードオフガスが燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなる。
【００４８】
ところが、制御装置６３は電流指令値Ｉｃの減少量ＩＬが大きいほど、或いは減少終了時の電流指令値Ｉcdが小さいほど空気の流量Ｑを定常状態時より増加させる増加量を大きくすることにより、燃料電池の運転温度の低下量が大きいほど空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなることを相殺しているので、電流指令値の減少量ＩＬ、或いは減少終了時の電流指令値Ｉcdに拘わらず電解質膜を良好な加湿状態に維持することができる。なお、電流指令値Ｉｃの減少開始時期に、空気の流量Ｑが開始時点の定常状態時の空気の流量Ｑ以上にされることはなく、電流指令値Ｉｃの減少終了後は、空気の流量Ｑは減少の傾きを変えずに終了時の定常状態時の空気の流量Ｑに徐々に戻される。
【００４９】
電流指令値Ｉｃの増加量ＩＤ、或いは増加開始時の電流指令値Ｉcsに対し、空気の流量Ｑを定常状態時より減少させる減少量、および電流指令値Ｉｃの減少量ＩＬ、或いは減少終了時の電流指令値Ｉcdに対し、空気の流量を定常状態時より増加させる増加量は、試験により求められ、マップまたは数式にして制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。
【００５０】
定常状態時の空気の流量（酸化ガスの流量）は、電流指令値が一定の状態が続く場合に最適な流量である。具体的には、電流指令値変化前の定常状態時での電流指令値をＩｂ、空気の流量をＶｂとし、電流指令値変化後の定常状態時の電流指令値をＩａ、空気の流量をＶａとすると、電流指令値変化中の定常状態時の空気の流量は、電流指令値Ｉと（空気の流量／電流指令値Ｉ）がほぼ比例するとして、次式で算出される。
【００５１】
空気の流量／電流指令値＝（電流指令値−Ｉｂ）
×（Ｖａ／Ｉａ−Ｖｂ／Ｉｂ）／（Ｉａ−Ｉｂ）＋Ｖｂ／Ｉｂ
【００５２】
上記第１の実施形態においては、制御装置６３は、電流指令値Ｉｃの増加状態時は、燃料電池１１に供給される空気の流量を定常状態時より減少させ、電流指令値Ｉｃの減少状態時は、定常状態時より増加させているが、第２の実施形態においては、制御装置６３は、燃料電池１１に供給される空気の流量を、電流指令値Ｉｃの増加より遅れて増加させ、電流指令値Ｉｃの減少より遅れて減少させる。
【００５３】
電力使用場所６０で使用されている消費電流が定常状態の場合、消費電流に対応する電流指令値Ｉｃと、燃料電池１１に供給される空気および改質ガスの流量Ｑ，Ｑｇとは、図６に示すように夫々比例関係にある。そこで、図７に示すように制御装置６３は、時間ｔの経過につれて電流指令値Ｉｃを増加する場合、改質ガスの流量Ｑｇは電流指令値Ｉｃとともに定常状態時の比例関係で増加させ、空気の流量Ｑは、図６の定常状態時の比例関係において空気の流量Ｑの増加を電流指令値Ｉｃの増加より遅れ時間Δｔだけ遅らせた関係で増加させる。これにより、定常状態より含有水蒸気量が少ないが減量された空気が反応後にカソードオフガスとなって電解質膜１５の水を奪うことがなく、電解質膜１５を良好な湿潤状態に保持して燃料電池１１の高い出力電流を維持することができる。
【００５４】
また、制御装置６３は、時間ｔの経過につれて電流指令値Ｉｃを減少する場合、改質ガスの流量Ｑｇは電流指令値Ｉｃとともに定常状態時の比例関係で減少させ、空気の流量Ｑは、図６の定常状態時の比例関係において空気の流量Ｑの減少を電流指令値Ｉｃの減少より遅れ時間Δｔだけ遅らせた関係で減少させる。これにより、定常状態より含有水蒸気量が多いが増量された空気が反応後にカソードオフガスとなってカソード電極１７で生成された水を運び去り、燃料電池１１がフラッディングすることなく高い出力電流を維持することができる。
【００５５】
電流指令値Ｉｃの増加状態時に、燃料電池１１に供給される空気の流量Ｑを、電流指令値Ｉｃの増加より遅れ時間Δｔだけ遅れて増加させるための遅れ時間Δｔ、および電流指令値Ｉｃの減少状態時に、燃料電池１１に供給される空気の流量Ｑを、電流指令値Ｉｃの減少より遅れ時間Δｔだけ遅れて減少させるための遅れ時間Δｔは、試験により求められ、制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。
【００５６】
そして、制御装置６３は、電流指令値Ｉｃの増加より空気の流量Ｑの増加を遅らせる遅れ時間Δｔを、電流指令値の増加量ＩＤが大きいほど長く、増加開始時の電流指令値Ｉcsが低いほど長くする。また、制御装置６３は、電流指令値の減少より空気の流量の減少を遅らせる遅れ時間Δｔを、電流指令値の減少量ＩＬが大きいほど長く、減少終了時の電流指令値Ｉcdが低いほど長くする。
【００５７】
これにより、第１の実施形態の場合と同様に、燃料電池１１の運転温度の上昇量が大きいほど空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなることを相殺し、燃料電池１１の高い出力電流を維持することができる。また、燃料電池１１の運転温度の減少量が大きいほど空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなることを相殺し、燃料電池１１の高い出力電流を維持することができる。
【００５８】
電流指令値Ｉｃの増加量ＩＤ、或いは増加開始時の電流指令値Ｉcsに対し、電流指令値Ｉｃの増加より空気の流量Ｑの増加を遅らせる遅れ時間Δｔ、および電流指令値Ｉｃの減少量ＩＬ、或いは減少開始時の電流指令値Ｉcdに対し、電流指令値Ｉｃの減少より空気の流量Ｑの減少を遅らせる遅れ時間Δｔは、試験により求められ、マップまたは数式にして制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。
【００５９】
上記第２の実施形態に係る制御方法では、制御装置６３は、燃料電池１１に供給される空気の流量を、電流指令値Ｉｃの増加より遅れて増加させ、電流指令値Ｉｃの減少より遅れて減少させているが、第３の実施形態においては、制御装置６３は、燃料電池１１の運転温度Ｔを、電流指令値Ｉｃの増加状態時は、定常状態時より低下させ、電流指令値Ｉｃの減少状態時は、定常状態時より上昇させる。
【００６０】
このために、図１に示すように燃料電池１１の運転温度Ｔを測定する温度計６４が、燃料電池１１内に冷却水を排出する排出口５１の近傍に取り付けられ、制御装置６３に接続されている。６５は燃料電池１１の供給口４８に接続された冷却水ポンプで、この冷却水ポンプ６５から送出される冷却水が供給口４８から燃料電池１１内に供給され、冷媒流路２８，２９を流れて排出口４９から排出される間に、積層されたモジュール１４を冷却して燃料電池１１の運転温度を制御する。
【００６１】
制御装置６３は、電流指令値Ｉｃが増加状態にあるときは、温度計６４によって測定される燃料電池１１の運転温度が、定常状態時よりも所定温度ΔＴだけ低くなるように、冷却水ポンプ６５を定常状態時より高い回転数で回転駆動させる。これにより、同じ電流指令値Ｉｃにおける燃料電池１１の運転温度が、電流指令値Ｉｃの増加状態時の方が定常状態時より低下し、カソードオフガスがカソード電極１７で受け取る水蒸気量が減少し、電解質膜１５は湿潤状態を保持して燃料電池１１は高い出力電流を維持する。
【００６２】
制御装置６３は、電流指令値Ｉｃが減少状態にあるときは、温度計６４によって測定される燃料電池１１の運転温度Ｔが、定常状態時よりも所定温度ΔＴだけ高くなるように、冷却水ポンプ６５を定常状態時より低い回転数で回転駆動させる。これにより、同じ電流指令値Ｉｃにおける燃料電池１１の運転温度が、電流指令値の減少状態時の方が定常状態時より上昇し、カソードオフガスがカソード電極１７で受け取る水蒸気量が増加し、カソード電極１７で生成された水を運び去り、燃料電池１１はフラッディングすることなく高い出力電流を維持する。
【００６３】
電流指令値Ｉｃの増加状態時に、燃料電池１１の運転温度Ｔを、定常状態時より所定温度低下させる所定温度ΔＴ、および電流指令値Ｉｃの減少状態時に、燃料電池１１の運転温度Ｔを、定常状態時より所定温度上昇させる所定温度ΔＴは、試験により求められ、制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。
【００６４】
そして、制御装置６３は、電流指令値Ｉｃの増加状態時に定常状態時より低下させる燃料電池１１の運転温度の低下量ΔＴを、電流指令値Ｉｃの増加量ＩＤが大きいほど大きく、増加開始時の電流指令値Ｉcsが小さいほど大きくし、電流指令値Ｉｃの減少状態時に定常状態時より上昇させる燃料電池１１の運転温度の上昇量ΔＴを、電流指令値Ｉｃの減少量ＩＬが大きいほど、または減少終了時の電流指令値Ｉcdが小さいほど大きくする。
【００６５】
これにより、第１の実施形態の場合と同様に、燃料電池１１の運転温度の上昇量が大きいほど空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内から取り過ぎる水分の累積量が多くなることを相殺し、燃料電池１１の高い出力電流を維持することができる。また、燃料電池１１の運転温度の減少量が大きいほど空気が反応後にカソードオフガスとなって燃料電池内に取り残す水分の累積量が多くなることを相殺し、燃料電池１１の高い出力電流を維持することができる。
【００６６】
電流指令値Ｉｃの増加量ＩＤ、或いは増加開始時の電流指令値Ｉcsに対し、電流指令値Ｉｃの増加状態時の方が定常状態時より所定温度ΔＴだけ燃料電池１１の運転温度を低下させる所定温度ΔＴ、および電流指令値Ｉｃの減少量ＩＬ、或いは減少開始時の電流指令値Ｉcdに対し、電流指令値Ｉｃの減少状態時の方が定常状態時より所定温度ΔＴだけ燃料電池１１の運転温度を上昇させる所定温度ΔＴは、試験により求められ、マップまたは数式にして制御装置１１のＲＯＭに記憶されている。
【００６７】
上記第１の実施形態では、制御装置６３は、燃料電池１１に供給される空気の流量Ｑを、電流指令値Ｉｃの増加状態時に、定常状態時より減少させる制御と、この空気の流量Ｑを電流指令値Ｉｃの減少状態時に、定常状態時より増加させる制御とを行っているが、該両制御の少なくとも一方の制御を行うようにしてもよい。
【００６８】
上記第２の実施形態では、制御装置６３は、燃料電池１１に供給される空気の流量Ｑを、電流指令値Ｉｃの増加より遅れて増加させる制御と、この空気の流量Ｑを電流指令値Ｉｃの減少より遅れて減少させる制御とを行っているが、該両制御の少なくとも一方の制御を行うようにしてもよい。
【００６９】
上記第３の実施形態では、制御装置６３は、燃料電池１１に供給される冷媒の流量を制御することにより、燃料電池１１の運転温度Ｔを電流指令値Ｉｃの増加状態時は定常状態時より低下させる制御と、電流指令値Ｉｃの減少状態時は定常状態時より上昇させる制御とを行っているが、該両制御の少なくとも一方の制御を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示す概要図。
【図２】燃料電池のモジュールを示す断面図。
【図３】モジュールを積層して燃料電池を構成した状態を示す図。
【図４】空気の流量と電流指令値との関係を示す図。
【図５】電流指令値の増減と空気の増減との関係を示す図。
【図６】空気および改質ガスの流量と電流指令値との関係を示す図。
【図７】電流指令値の増減に対する空気流量の増減の遅れ時間を示す図。
【符号の説明】
【００７１】
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…改質装置、１３…加湿器、１４…モジュール、１５…電解質膜、１６…アノード電極、１７…カソード電極、１８…膜電極接合体、１９，２０…セパレータ、４６，４７，４８…供給口、４９，５０，５１…排出口、５２…ポンプ、５３…水ポンプ、５４…空気ポンプ、５５…膜、５６，５７…通路、５８…インバータ、６０…電力使用場所、６２…電力計、６３…制御装置、６４…温度計、６５…冷却水ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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