(57)【要約】【課題】  燃料電池の発電一時停止時に、燃料ガスに加湿された水分や生成水の水蒸気が燃料電池内で凝縮し、発電再開時に燃料ガス流路を閉塞することを防止する。【解決手段】  燃料電池は、燃料極と酸化剤極間に電解質膜を狭持させてなる単電池を積層させて構成される。酸化剤供給手段２０２は、燃料電池の酸化剤極へ酸化剤を供給する。排燃料循環手段２０５は、燃料電池の燃料極から排出される燃料を再度燃料極へ供給する。燃料電池に対する要求発電量２０１が所定発電量より小さい場合に、酸化剤供給手段２０２は、酸化剤供給を一時停止する一方、排燃料循環手段２０５は、運転を継続し、燃料循環を続けて、加湿水や生成水の水蒸気が燃料流路に凝縮して閉塞することを防止し、一時停止解除後の再始動時に、確実な燃料供給を可能とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極間に電解質膜を狭持させてなる単電池を積層させて構成される燃料電池と、
前記酸化剤極へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料極から排出される燃料を再度燃料極へ供給する排燃料循環手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に対する要求発電量が所定発電量より小さい場合に、前記酸化剤供給手段を停止する一方、前記排燃料循環手段の運転を継続させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の燃料温度を検出する燃料温度検出手段と、
前記燃料電池の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
前記燃料温度及び前記燃料圧力に基づいて、前記酸化剤供給手段の停止後に燃料電池システム内で発生する凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、を備え、
該凝縮水量推定手段の推定結果に基づいて、前記排燃料循環手段による循環を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の燃料湿度を検出する燃料湿度検出手段と、
前記燃料電池の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
前記燃料湿度及び前記燃料圧力に基づいて、前記酸化剤供給手段の停止後に燃料電池システム内で発生する凝縮水量を推定する凝縮水量推定手段と、を備え、  
該凝縮水量推定手段の推定結果に基づいて、前記排燃料循環手段による循環を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料流路で発生する凝縮水の水量を計測する凝縮水量計測手段を備え、
該凝縮水量計測手段が計測した凝縮水量に基づいて、前記排燃料循環手段による循環を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排燃料循環手段の稼働と停止とを繰り返し、前記推定もしくは計測した凝縮水量が多ければ多いほど、前記排燃料循環手段の稼働時間の比率を増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排燃料循環手段の稼動と停止を繰り返す際に、稼動−停止間の時間に対する変化量に制限を設けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤供給手段の停止後、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段を、発電効率が高効率となる燃料電池の温度を維持するように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の燃料湿度を検出する燃料湿度検出手段と、
前記燃料電池の燃料温度を検出する燃料温度検出手段と、
前記燃料電池の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
前記燃料電池の酸化剤温度を検出する酸化剤温度検出手段と、
前記燃料電池の酸化剤圧力を検出する酸化剤圧力検出手段と、
前記燃料湿度、前記燃料温度、前記燃料圧力、前記酸化剤温度、及び前記酸化剤圧力に基づいて、前記酸化剤極から前記燃料極へ透過する窒素量を推定する窒素透過量推定手段と、を備え、
該素透過量推定手段が推定した窒素透過量に基づいて、燃料極内の窒素を外部へ排出する窒素排出手段の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料極内の窒素濃度を直接、または水素濃度と水蒸気濃度から間接に検出する窒素濃度検出手段を備え、
該窒素濃度検出手段が検出した窒素濃度に基づいて、燃料極内の窒素を外部へ排出する窒素排出手段の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料極内の窒素を排出する際に、窒素とともに排出される水素を可燃濃度以下に処理して排出する排燃料処理手段を備え、
前記窒素透過量または前記窒素濃度に基づいて前記排燃料処理手段の動作を制御することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池の出力電流を制御することにより、前記酸化剤供給手段の停止後に酸化剤極に侵入する酸化剤と燃料極内の残燃料とが反応して発生する燃料電池電圧を所定電圧以下に抑制する電圧制御手段を備え、
前記燃料電池電圧に応じて、前記排燃料循環手段の動作を制御することを特徴とする請求項１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】
本発明は、発電効率が低下する低発電量領域の運転を一時停止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その変換効率が非常に高いため、燃料電池の利用用途は広く、モータを駆動源として備える移動体のエネルギー供給源としても利用されている。
【０００３】
燃料電池から所望のエネルギーを得るためには、燃料ガスと、酸化剤を不足なく燃料電池へ供給する必要がある。しかし、急激な要求エネルギーの変化が生じた場合には、供給手段の遅れにより、要求に対応することができない。そこで燃料電池を利用した移動体には、その遅れを補うために、補助供給源として、２次電池やキャパシタなどの蓄電装置を有し、不足するエネルギーを供給する。
【０００４】
燃料電池は発電のために、燃料ガスや酸化剤の供給源などを稼動させる必要がある。そのシステムにおいて、燃料電池からの取り出し発電量が小さいときには、システム補機での消費エネルギーが燃料電池での発電エネルギーに対し大きく、実際に利用可能なエネルギーを得る効率は悪化する。そこで燃料電池を備えた移動体では、蓄電装置を用いることで、効率の悪い発電量の小さい領域では、蓄電装置から電気を供給し、一方酸化剤の供給を停止することで、燃料電池での化学反応を停止させ、効率の悪い領域での運転を停止することができる（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−３０７７５８号公報（第７頁、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池システムにおいて、一旦酸化剤の供給を停止してしまうと、化学反応による発熱がなくなり、燃料電池の温度が低下する。このため燃料電池内で燃料ガスに加湿された水分や生成水の水蒸気が凝縮し、燃料ガスの流れる流路が塞がってしまい、酸化剤供給の再始動を行う際には燃料ガスが流れず、要求される発電量を実現できなくなるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するために、燃料極と酸化剤極間に電解質膜を狭持させてなる単電池を積層させて構成される燃料電池と、前記酸化剤極へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料極から排出される燃料を再度燃料極へ供給する排燃料循環手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対する要求発電量が所定発電量より小さい場合に、前記酸化剤供給手段を停止する一方、前記排燃料循環手段の運転を継続させることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池への要求発電量が所定発電量より小さい場合に、酸化剤供給手段を停止する一方、排燃料循環手段の運転を継続させることによって、化学反応による発熱が減り温度が低下しても、燃料ガスの循環を継続することにより燃料極流路が凝縮水で閉塞するのを防止でき、良好な再始動性を保つことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの基本構成を説明する制御ブロック構成図である。図中の２０１は、燃料電池を発電機のように直接エネルギー供給源として用いる、もしくは移動体の駆動力へのエネルギー供給源としてのように間接的に燃料電池をエネルギー供給源として用いる際の、燃料電池に対する要求発電量（以下、燃料電池要求発電量ともよぶ）である。燃料電池要求発電量２０１は、外部から与えられてもよいし、燃料電池システム内で算出されてもよい。
【００１０】
２０２は燃料電池へ酸化剤を供給する空気コンプレッサ等の酸化剤供給手段であり、燃料電池要求発電量２０１と後述する燃料電池システム状態検出手段２０３が検出した状態に応じて制御される。そして排燃料循環制御演算手段２０４は、燃料電池から排出される排燃料を循環させる排燃料循環手段２０５の制御装置であり、燃料電池要求発電量２０１、酸化剤供給手段２０２の動作状態、燃料電池システム状態検出手段２０３か検出した状態に基づいて、制御演算を行い、排燃料循環手段２０５の動作を制御する。
【００１１】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの一実施例の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池１には、アノードに燃料ガスとして水素ガス、カソードに酸化剤ガスとして空気がそれぞれ供給され、以下に示す電気化学反応により、電力が発電される。
【００１２】
〔化１〕
アノード（水素極）：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ-                   …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 →Ｈ2Ｏ       …（２）
燃料電池全体      ：Ｈ2 ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ                 …（３）
このときカソードで生成されたＨ2 は、水蒸気となって、電解質膜を透過してアノード側へ侵入する。アノードへの水素供給は水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁３０１、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁３０１で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で燃料電池での水素圧力が所望の水素圧に制御される。水素循環ポンプ８は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置される排燃料循環手段である。
【００１３】
パージ弁７は、つぎのような役割を果たす。
【００１４】
・アノード及び水素循環経路内の水素分圧を回復するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。
【００１５】
・セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。
【００１６】
パージ弁７から排出されるガスには水素が含まれている。そこで排水素処理装置２４において、水素を燃焼もしくは希釈を行った後、燃料電池システム外へ放出する。湿度センサ２３は、燃料電池のアノードから排出されたガスの湿度を検出する。
【００１７】
カソードへの空気はコンプレッサ９により供給される。コンプレッサ９により燃料電池１へ供給される流量は、流量（もしくはＯ2 ）センサ１１により検出される。この空気量を外気環境が変わった場合にでも目標の空気流量を満たすように、回転数センサ１４、外気温センサ１９、大気圧センサ２０の値を用いながら、コンプレッサ９を制御する。カソードの空気圧は、圧力センサ６ｂの検出値を用いながら、空気調圧弁１０の開口面積を変化させることによって制御される。
【００１８】
燃料電池１の冷却水流路への冷却水は、冷却水ポンプ１５により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流をする。ラジエタファン１８は、ラジエタへ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整される。
【００１９】
パワーマネージャ２１は、燃料電池１から電力を取り出して移動体を駆動するモータ（図示しない）へ電力を供給する。２次電池５は、燃料電池の発電が要求発電量を満たせない場合などに、補助電源としてエネルギーを供給する。
【００２０】
コントローラ３０は、起動、発電、停止する際に燃料電池システム内の各アクチュエータを、センサ信号を用いてコントロールする。
【００２１】
次に、本発明を実施しない場合の燃料電池の発電一時停止の例について、図３を参照して説明する。まず、Ｓ１０において、燃料電池への要求発電量を読み込み、または算出する。次いで、Ｓ１２で要求発電量が最大発電量の例えば１０％未満の低発電量領域になっているか否かを判定する。要求発電量が最大発電量の１０％以上であれば、要求発電量を監視しながら発電を継続するために、Ｓ１０へ戻る。
【００２２】
Ｓ１２の判定で、要求発電量が最大発電量の１０％未満になっていたら、Ｓ１４へ進みコンプレッサ９を停止する。コンプレッサ９の停止により、燃料電池での化学反応が減少するので、燃料電池からエネルギーを供給することができなくなるため、次いでＳ１６でパワーマネージャ２１による燃料電池１からの電力取り出しを停止するとともに、２次電池５により負荷装置への電力供給を開始する。このときパージ弁７を開けたままだと、水素を外部に放出してしまうため、Ｓ１８でパージ弁７を閉める。発電停止時間を延長するために、発電に関係する補機の消費電力も２次電池５から賄うため、Ｓ２０で水素循環ポンプ８を停止し、Ｓ２２でラジエタファン１８を停止し、Ｓ２４で冷却水ポンプ１５を停止し、Ｓ２６で排水素処理装置２４を停止し、Ｓ２８の発電復帰待ち状態となる。
【００２３】
図４は、本発明を適用しない場合の発電復帰待ち状態からの発電再開を示すフローチャートである。まず、Ｓ２９で２次電池５の蓄電量（ＳＯＣ）が発電再開に必要な所定値を超えているか否かを判定する。ＳＯＣが所定値を超えていなければ、Ｓ３２へ移り発電を再開する。Ｓ２９の判定でＳＯＣが所定値を超えていれば、Ｓ３０へ進み、燃料電池への要求発電量を読み込み、または算出する。次いで、Ｓ３１で燃料電池への要求発電量が燃料電池の最大発電量の１０％以上か否かを判定する。燃料電池への要求発電量が最大発電量の１０％以上になったら、Ｓ３２へ進みコンプレッサ９を稼動させ、燃料電池１へ酸化剤としての空気を供給し発電を再開し、Ｓ３４へ進む。
【００２４】
Ｓ３１の判定で、燃料電池への要求発電量が最大発電量の１０％未満であれば、発電効率の低い領域なので、２次電池のＳＯＣ及び燃料電池要求発電量を監視しながら、発電停止を継続するために、Ｓ２９へ戻る。
【００２５】
Ｓ３４では、パワーマネージャ２１により燃料電池１から電力の取り出しを行い、駆動モータ等の負荷へ電力を供給する。次いで、Ｓ３６でパージ弁を開き、Ｓ３８で停止していた水素循環ポンプ８を稼働させ、Ｓ４０でラジエタファン１８を稼働させ、Ｓ４２で冷却水ポンプ１５を稼働させ、Ｓ４４で排水素処理装置２４の稼動も再開する。
【００２６】
しかし、例えば発電停止前の燃料電池温度が非常に高い場合には、カソード側からアノード側へ透過した水蒸気量が多いため、発電を停止して温度が低下した場合には、水素ガス流路、ならびにアノード内で凝縮水が発生し、水素ガスの流れを塞いでしまうことになる。そのため、燃料電池の要求発電量が上がった場合に発電を再開しようとしても、水素ガスを流すことができないため、発電できなくなってしまう。
【００２７】
そこで本発明においては、要求発電量に応じてコンプレッサ９を停止した場合においても、燃料電池システムの状態検出信号に応じて、水素循環ポンプ８を制御することによって、凝縮水によるガス流路の閉塞を防止し、再発電する際の性能を損なわず、要求発電量を満たすことができる。
【００２８】
次に、図５の制御フローチャートを参照して、本発明の実施例における発電一時停止時のコントローラ２３による制御動作を説明する。
【００２９】
まずＳ４６において、２次電池５の蓄電量（ＳＯＣ）が所定値を超えているか否かを判定する。Ｓ４６の判定値である所定値は、燃料電池の再起動に必要な電力量、及び発電一時停止中の水素循環ポンプによる消費電力量を考慮して決められる。
【００３０】
Ｓ４６の判定で、所定値を超えていなければ、Ｓ４６に戻り発電を継続し２次電池５に充電しながら再度ＳＯＣを判定する。
【００３１】
Ｓ４６の判定でＳＯＣが所定量を超えていれば、Ｓ４８へ進み、燃料電池への要求発電量を読み込み、または計算し、Ｓ５０で燃料電池要求発電量が燃料電池の最大発電量の２０％未満か否かを判定する。
【００３２】
Ｓ５０の判定で、燃料電池要求発電量が燃料電池の最大発電量の２０％未満であれば、Ｓ５２へ進む。Ｓ５０の判定で、燃料電池要求発電量が燃料電池の最大発電量の２０％以上であれば、Ｓ４６へ戻る。Ｓ５０の判定値である燃料電池の最大発電量の２０％は一例であり、例えば、燃料電池の発電効率が最高発電効率の７０％となる発電量としてもよい。
【００３３】
Ｓ５２では、酸化剤供給手段であるコンプレッサ９を停止する。Ｓ５２のコンプレッサ停止が終わると、Ｓ５６の水素流路凝縮水量推定、Ｓ６４のアノード内窒素濃度推定、Ｓ７６の燃料電池温度検出判定、Ｓ８６の燃料電池セル電圧検出判定を並列（順不同に処理可能）に開始するとともに、発電復帰待ちの状態となる。
【００３４】
Ｓ５６の水素流路凝縮水量推定では、燃料電池システムの状態検出信号に基づいて水素流路内の凝縮水量を推定する。Ｓ５８では、推定した凝縮水量が所定値を超えたか否かを判定する。Ｓ５８の所定値は、実験により水詰まり発生状況を確認し、水詰まりが発生するしきい値より低い値を所定値として設定している。
【００３５】
Ｓ５８の判定で凝縮水量が所定値を超えていれば、Ｓ６０へ進み、水素循環ポンプを稼働させて、Ｓ５６へ戻る。Ｓ５８の判定で凝縮水量が所定値を超えていなければ、Ｓ６２へ進み、水素循環ポンプを停止させて、Ｓ５６へ戻る。
【００３６】
このように、本実施例では、凝縮水量の推定結果に基づき水素循環ポンプ（排燃料循環手段）８の動作を決定することによって、水つまりが小さい場合には、水素循環ポンプ８の稼動を小さくでき、水素循環ポンプ８での消費エネルギーを減らすことができる。
【００３７】
また、本実施例では、コンプレッサ９による空気供給を停止した後も水素循環ポンプ（排燃料循環手段）８を稼動させることによって、化学反応による発熱が減ったあとでも、燃料極側で燃料ガスの流れを作り、燃料極側での流路における凝縮水による閉塞を防止するため、再始動性を保つことができる。
【００３８】
Ｓ６４のアノード内窒素濃度推定では、燃料電池システムの状態検出信号に基づいてアノード内の窒素濃度を推定する。Ｓ６６では、推定した窒素濃度が所定値以上であるか否かを判定する。Ｓ６６の所定値は、実験により窒素濃度と発電効率及び燃費効率との関係を求め、パージを開始する窒素濃度を所定値として設定している。
【００３９】
Ｓ６６の判定で窒素濃度が所定値以上であれば、Ｓ６８へ進み、パージ弁を開き、Ｓ７０で排水素処理装置を稼働させて、Ｓ６４へ戻る。Ｓ６６の判定で窒素濃度が所定値未満であれば、Ｓ７２へ進み、パージ弁を閉じ、Ｓ７４で排水素処理装置を停止させて、Ｓ６４へ戻る。
【００４０】
このように、Ｓ６４以下の処理で、燃料極内の窒素濃度を測定または推定し、この窒素濃度に基づいて、燃料極内の窒素を外部へ排出する窒素排出手段の動作を、排燃料循環手段の排燃料循環性能を維持可能な窒素濃度を守るように制御することで、排出される水素量を低減するため、消費水素量を減らすことができる。
【００４１】
Ｓ７６の燃料電池温度検出・判定では、燃料電池温度センサの検出信号を読み込み、目標温度以上であるか否かを判定する。Ｓ７６の目標温度値は、燃料電池の目標運転温度であり、燃料電池の発電効率か最も高くなる温度である。
【００４２】
Ｓ７６の判定で燃料電池温度が目標温度以上であれば、Ｓ７８へ進み、ラジエータファンを稼働させ、Ｓ８０で冷却水ポンプを稼働させて、Ｓ７６へ戻る。Ｓ７６の判定で燃料電池温度が目標温度未満であれば、Ｓ８２へ進み、ラジエータファンを停止し、Ｓ８４で冷却水ポンプを停止させて、Ｓ７６へ戻る。
【００４３】
このように、Ｓ７６以下の処理で、発電効率が高効率となる燃料電池の温度を維持するため、温度低下による、燃料電池の発電効率の悪化を防止し、かつ温度変化による凝縮水の発生量を抑え、水つまりの発生を抑えることができる。
【００４４】
Ｓ８６の燃料電池セル電圧検出・判定では、燃料電池の電圧センサの検出信号を読み込み、セル電圧が目標電圧以上であるか否かを判定する。Ｓ８６の目標電圧値は、燃料電池が劣化しないセル電圧であり、燃料電池に使用する電極材料によって決まる電圧である。
【００４５】
Ｓ８６の判定で燃料電池セル電圧が目標電圧以上であれば、Ｓ８８へ進み、水素循環ポンプを稼働させ、Ｓ９０でパワーマネージャによる燃料電池からの電力取り出しを行いアノードで水素を消費させてセル電圧を低下させ、Ｓ８６へ戻る。Ｓ８６の判定で燃料電池セル電圧が目標電圧未満であれば、Ｓ９２へ進み、水素循環ポンプを停止させ、Ｓ９４でパワーマネージャによる燃料電池からの電力取り出しを停止させて、Ｓ８６へ戻る。
【００４６】
Ｓ８６の目標電圧は、燃料電池が劣化する電圧より低い所定値とする。これにより発電一時停止時の過電圧による燃料電池の劣化を防止することができる。
【００４７】
また、Ｓ８６の判定に応じて、Ｓ８８の水素循環ポンプ稼働と、Ｓ９２の水素循環ポンプの停止とを繰り返す際に、稼動−停止間の時間に対する変化量に制限を設けることによって、稼動と停止時の音の変化量を抑えることができ、燃料電池システムを利用した移動体の乗員の快適性を高めることができる。
【００４８】
次に、図６の制御ブロック図を参照して、Ｓ５６の水素流路凝縮水量推定の一実施例の詳細について説明する。燃料電池への水素供給路ならびに循環路に取り付けられた温度センサ２１０（図２の１３ｅ、１３ｄに相当）と圧力センサ２１１（図２の６ａ、６ｃに相当）の検出値を用いて水蒸気量を算出する水蒸気量推定マップ２１２を検索する。この検索結果の水蒸気量２１３と酸化剤供給手段（コンプレッサ）を停止した直後に計算した水蒸気量２１４との遂次差を減算器２１５で求めて、推定凝縮水量２１６とする。
【００４９】
発電停止からの時間が長いほど、凝縮水量は多くなるので、コンプレッサ停止からの時間を計測し、時間が長くなるに従い、凝縮水量が多いと補正してもよい。また外気温が低いほど、水素供給経路及び循環路の配管が冷えて一部で凝縮水が発生するので、外気温が低い際には、凝縮水が多いと補正してもよい。
【００５０】
実施例は、水素供給路及び循環路に圧力センサ、温度センサが、循環路に湿度センサが取り付けられていて、少なくとも一箇所のセンサ値に基づいて凝縮水量を計算する例であるが、燃料電池内部に圧力センサ、温度センサ、湿度センサが取り付けて、燃料電池内部の凝縮水量を推定することも可能であるし、複数のセンサ値の平均値をとってシステム内部での平均凝縮水量を推定することも可能である。
【００５１】
次に、図７の制御ブロック図を参照して、Ｓ５６の水素流路凝縮水量推定の別の実施例の詳細について説明する。燃料電池への水素供給路ならびに循環路に取り付けられた温度センサ２１０（図２の１３ｅ、１３ｄに相当）と、水素循環路に取り付けられた湿度センサ２２１（図２の２３に相当）の検出値を用いて凝縮水量を推定する。温度センサ２１０の検出値からそのときの飽和水蒸気量２２２を計算し、これと湿度センサ２２１の相対湿度から水蒸気量２２３を求める。この水蒸気量２２３と酸化剤供給手段（コンプレッサ）を停止した直後に計算した水蒸気量２２４との遂次差を減算器２２５で求めて、推定凝縮水量２２６とする。
【００５２】
この実施例は湿度センサを用いた例であるが、燃料電池内、ならびに循環経路でほぼ飽和水蒸気圧であると考えられる内部加湿の燃料電池の場合には、温度検出値から飽和水蒸気圧曲線を参照することにより水蒸気量を求めることができるので、湿度センサは不要となる。
【００５３】
これらの凝縮水量の推定量結果に基づき、推定量が多い場合には、流路での水つまりを解消するために、水素循環ポンプを稼動させ、少ない場合には停止させる。水素循環ポンプの稼動と停止を凝縮水推定量に基づき行うことで、消費電力を抑えつつ、水つまりの発生を抑制できる。
【００５４】
この水素循環ポンプの稼動と停止を切り替える際に、時間に対するポンプ回転数の変化量に制限を設けることによって、稼動と停止時の音の変化量を抑えることができ、移動体の乗員の快適性を高めることができる。
【００５５】
上記の実施例はセンサを用いて凝縮水量を推定する方法の例であるが、燃料電池もしくは供給路、もしくは循環路での凝縮水を少なくとも一箇所に集められる構造にして、そこで凝縮水量を測定して、この測定結果に基づき水素循環ポンプを稼動させることも可能である。
【００５６】
また実施例は、推定量に基づき、その大きさによって稼動と停止を切り替える制御であったが、常に稼動と停止を周期的に切り替えるようにしておき、推定量の大きさに基づき、推定量が多い場合には稼動時の大きさや、１周期中での稼動時間の比率を変えることや、繰り返し周期時間を変えることでもよい。推定量が多い場合には稼動時の回転数を上げる、稼働時間の比率を大きくする、周期時間を短くする。
【００５７】
次に、図８の制御ブロック図を参照して、アノード内窒素濃度推定を説明する。燃料電池への水素供給路ならびに循環路に取り付けられた圧力センサ、温度センサ、湿度センサ、コントローラ内でのコンプレッサ停止からの計測時間、酸化剤流路に取り付けられた圧力センサ、温度センサを用いて行う。
【００５８】
酸化剤流路の圧力センサ２３０と温度センサからカソード窒素分圧２３１を計算する。発電停止直後は、カソード極内は飽和水蒸気圧に近く、また酸素濃度も発電に消費され低いが、時間が経過するに従い、自然拡散により侵入する酸素や、凝縮水の発生量が多くなり、窒素分圧が変化するので、酸化剤供給停止からの時間を計測するタイマー２３２の値に応じて窒素分圧補正２３４を行うこととする。
【００５９】
アノード側へ透過する窒素量は、電解質膜の窒素透過係数とアノード、カソード間の窒素分圧で決定される。電解質膜の窒素透過係数は温度によって変化するため、透過量計算時に用いる透過係数を水素供給路、循環路の温度センサと酸化剤流路の温度センサの検出値の平均値を代表温度センサ２３５として電解質膜透過係数補正２３６を行う。
【００６０】
アノード側の窒素分圧は、発電中に水素循環ポンプの循環性能を確保するために、許容窒素濃度を目標値としてパージ制御をおり、この窒素濃度計算を元に、水素供給路循環路圧力センサ２３７を用いて初期窒素分圧を求める。そしてアノード窒素分圧２４１とカソード窒素分圧２３４との差と、補正した電解質膜透過係数２３６からアノードへの透過量２４２を計算する。アノードの窒素分圧２４１は透過するごとに上がっていくため、積分計算２３８を行う。
【００６１】
上記の実施例は、アノード内の窒素濃度を推定する例であるが、アノード内の窒素濃度を測定する窒素濃度センサを取り付ける、もしくは水蒸気濃度を測定するために、アノード内に温度センサ、湿度センサ、圧力センサを取り付け、さらに水素濃度を測定する水素濃度センサを取り付けて、これらより窒素濃度を計算してもよい。
【００６２】
アノード内の窒素濃度の推定結果に基づき、窒素濃度が高くなった場合には、パージ弁７を開けることによって濃度を下げて、水素循環ポンプ８の循環性能を確保する。このとき窒素と一緒に水素を排出するため、排水素処理装置２４も稼動させる。排水素処理装置２４の稼動は、窒素濃度推定量もしくは計測量に基づいて行う。窒素濃度が高いほど、排水素処理装置２４の稼動を小さくする。
【００６３】
コンプレッサ９を停止すると、化学反応が停止して燃料電池の発熱がなくなり温度が下がる。しかし、まだ燃料電池１が熱い段階で冷却水ポンプ１５やラジエータファン１８を止めてしまうと、燃料電池１内にある冷却水とラジエータ１７側にある冷却水との間に温度ムラが生じて、再発電の際に、冷却水温度制御にハンチングが起きる。そこで冷却水が目標温度まで下がるまでは燃料電池１の冷却を続けるために冷却水循環を続ける。温度が下がりすぎると凝縮水の発生量が多くなり、かつ燃料電池の発電効率も下がるので、発電効率の良い温度で冷却水ポンプ１５とラジエータファン１８を停止する。
【００６４】
コンプレッサ９を停止しても、カソードには空気が侵入し、電解質膜を介してアノードに残っている水素と反応してしまう。その反応により電圧が単セルあたり０．８Ｖ以上発生すると、燃料電池での触媒劣化を招く。そこで、セル電圧を電圧センサ２２で検出し、電圧が下がるまでパワーマネージャ２１により燃料電池１から電流取り出しを続け、燃料電池１の劣化を防止する。このときアノード側の一部で水素が不足してしまい、これにより劣化することもあるため、水素循環ポンプ８を回すことでセルへの水素の分配を促進する。取り出している電力に応じて消費した水素の量が異なるため、電圧と電流から消費した水素量を推定し、推定結果に応じて水素循環ポンプ８の回転数を決定する。推定水素量が多いほど、水素循環ポンプ８の回転数を上げる。
【００６５】
次に、図９の制御フローチャートを参照して、発電復帰待ちの状態から発電状態への復帰を説明する。
【００６６】
まず、Ｓ１００で２次電池５の蓄電量（ＳＯＣ）が所定値を超えているか否かを判定し、ＳＯＣが所定値を超えていなければ、Ｓ１００に戻る。ここで、所定値とは、燃料電池１の発電再開に必要な２次電池５の蓄電量である。
【００６７】
Ｓ１００の判定で、２次電池５の蓄電量が所定値を超えていれば、Ｓ１０１で燃料電池への要求発電量を読み込み、または算出する。次いで、Ｓ１０２で要求発電量が最大発電量の２０％以上か否かを判定する。要求発電量が最大発電量の２０％未満であれば、Ｓ１００へ戻り、ＳＯＣと要求発電量の監視を続ける。
【００６８】
Ｓ１０２の判定値である最大発電量の２０％は一例であり、燃料電池システムの発電効率がある程度以上となる発電量に判定値を定める。例えば、最高発電効率の７０％以上の発電効率となる発電量としてもよい。
【００６９】
Ｓ１０２の判定で、要求発電量が最大発電量の２０％を超えたら、Ｓ１０３へ進む。Ｓ１０３では、コンプレッサ９を稼動させ、燃料電池１に酸化剤としての空気を供給し発電を開始する。Ｓ１０３でコンプレッサを稼働させたら、次いで、Ｓ１０４とＳ１１４を並列（順不同に）に処理する。
【００７０】
Ｓ１０４では、水素循環ポンプ８を稼働させて、燃料電池１に水素供給し、水素循環ポンプ８の循環性能を確保するため、パージ弁７を開きパージを開始し、Ｓ１０８で排水素処理装置２４を稼働させる。そしてＳ１１０で、燃料電池１内に空気及び水素が行き渡ったところで、パワーマネージャ２１による電力取出しを開始する。
【００７１】
燃料電池が発電を開始すると、化学反応による発熱で燃料電池の温度が上昇するので、Ｓ１１４では、燃料電池温度が目標温度以上になったか否かを判定する。燃料電池温度が目標温度以上であれば、Ｓ１１６でラジエータファンを稼働し、Ｓ１１８で冷却水ポンプを稼働し、Ｓ１１４へ戻る。Ｓ１１４の判定で、燃料電池温度が目標温度未満であれば。Ｓ１２０でラジエータファンを停止し、Ｓ１２２で冷却水ポンプを停止し、Ｓ１１４へ戻る。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの要部制御ブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの一実施例の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明を適用しない場合の燃料電池システムの発電待ち状態までの制御フローチャートである。
【図４】本発明を適用しない場合の燃料電池システムの発電復帰までの制御フローチャートである。
【図５】本発明の実施例における燃料電池システムの発電待ち状態までの制御フローチャートである。
【図６】本発明における凝縮水量推定計算の一実施例のブロック線図である。
【図７】本発明における凝縮水量推定計算の他の実施例のブロック線図である。
【図８】本発明におけるアノード内窒素濃度推定計算のブロック線図である。
【図９】本発明の実施例における燃料電池システムの発電復帰までの制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
２０１…燃料電池要求発電量
２０２…酸化剤供給手段
２０３…燃料電池システム状態検出手段
２０４…排燃料循環制御演算手段
２０５…排燃料循環手段
【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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【図８】
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【図９】
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