(57)【要約】    【課題】  システムが保持する純水量が低減した場合にはドライアウトしない条件で運転して、純水循環の停止によりポンプを保護する。    【解決手段】  純水タンク内の水量ＶWを呼び込み（ステップ１１）、この水量ＶWを所定の判断値Ｖ0と比較する（ステップ１２）。水量ＶWが判断値以上（ＶW≧Ｖ0）であれば純水循環ポンプをＯＮにして純水循環運転モードを実施する一方（ステップ１３）、水量ＶWが判断値未満（ＶW＜Ｖ0）であれば純水循環ポンプをＯＦＦにして純水なし運転モードを実施する（ステップ１４）。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置してなる膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層して形成し、前記単セルの各セパレータの少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、前記各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行い、前記ポーラスタイプとしたセパレータの前記膜・電極接合体と反対側の面に形成した純水流路に純水を流通させる燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための純水循環ポンプ及び純水タンクを含んで構成される純水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記純水タンク内の水量を検出する水量検出手段と、
前記水量検出手段の検出結果に基づいて純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記運転モード選択手段は、前記純水タンク内の水量が所定値未満の時に、純水なし運転モードを選択することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記純水なし運転モード中において燃料電池の負荷を制限する負荷制限手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池内の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記負荷制限手段は、前記純水なし運転モード中において温度検出手段の検出結果に基づいて燃料電池の負荷を制限することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ポーラスタイプのセパレータのドライアウト状態を判断するドライアウト状態判断手段を有し、
前記負荷制限手段は、前記純水なし運転モード中においてドライアウト状態判断手段の判断結果に基づいて燃料電池の負荷を制限することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記負荷制限手段は、前記ポーラスタイプのセパレータがドライアウトしない条件になるよう燃料電池の負荷を制限することを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記純水循環装置における水回収量を予測する水回収量予測手段と、
前記純水なし運転モード中において前記水回収量予測手段の予測結果に基づく水回収運転をする水回収運転手段と、
を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つ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、固体高分子型燃料電池を使用した燃料電池システムに関し、特に膜・電極接合体の両面に配置されたポーラスプレート（セパレータ）を使用する燃料電池内の水マネージメントを実施する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、固体高分子膜を挟んで設けられた一対の電極のうち一方の電極である陽極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の電極である陰極（カソード）に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。（特許文献１，２参照）。
【０００３】
アノード反応：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ・・・（１）
カソード反応：２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
ここで、アノードに供給する燃料ガスとしての水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法または水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
こうした燃料電池システムにおいて、電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上するためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。このため通常、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。そして、電解質膜の水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給した場合には膜に不純物が蓄積し、燃料電池の性能が低下するためである。
【０００５】
燃料電池に導入するガスを加湿するためには、燃料電池に流れるガスの上流側に加湿器を設け、更に燃料電池の下流側に水回収装置を設けることが必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
そして、燃料電池の性能を向上させるためには、セル内の水分状態を均一に保つ必要があるが、燃料電池稼動状態においては、カソード反応によって水が生成され、酸素剤ガスが燃料電池の中を上流から下流に向かって流れるにつれ水分量が増加するため、燃料電池出口付近ではフラッディング（水詰まり）が起き易い。この結果、酸素剤ガスの供給が妨げられ、セルの性能が低下する。
【０００６】
そこで、特許文献２では、燃料電池内の温度分布を制御し、フラッディングを防止することが開示されている。これでは、ガスの入口から出口に向かって温度を上昇させて、発生した水を水蒸気としてガスに取り込むことで、フラッディングを防止している。
また特許文献３では、燃料電池を構成するバイポーラプレートをポーラスプレートで構成し、ポーラスプレート内に純水流路を形成し、燃料電池内に純水を循環させて燃料電池を内部加湿することが開示されている。これでは、燃料電池内で加湿が行われるため、加湿器、水回収装置が不要となり、システムが簡素な構成となっている。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】特表平９−５１１３５６号公報
【特許文献３】米国特許第６，２４８，４６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２においては、酸素剤ガスの温度を昇温させているため、燃料電池から排出されるガス温度が高温化する。このため、燃料電池から外部に排出される水量が増加し、燃料電池内の水バランスが成立し難い。従って、燃料電池の下流側の水回収装置が必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
また特許文献３の燃料電池システムでは、燃料電池システムの状態によらず、常に燃料電池内に純水を循環していたため、システムが保持する純水量が低減した場合には、純水循環ポンプが無負荷運転となり、ポンプが破損するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ポーラスプレートを活用した内部加湿型の燃料電池において、システムが保持する純水量が低減した場合にはドライアウトしない条件で運転して、純水循環の停止によりポンプを保護する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのため本発明では、膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層して形成し、単セルの各セパレータの少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、各セパレータの膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行い、ポーラスタイプとしたセパレータの膜・電極接合体と反対側の面に形成した純水流路に純水を流通させる燃料電池（本体）と、燃料電池を加湿するための純水循環ポンプ及び純水タンクを含んで構成される純水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、純水タンク内の水量に基づいて純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、純水タンク内の水量に基づいて純水循環運転モードと純水なし運転モードとを選択するため、例えば、純水タンク内の水量が少ない場合には、純水なし運転モードを選択でき、純水循環ポンプが無負荷運転となることによるポンプの破損を防止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】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システム１を示す図である。
本実施形態においては、燃料電池システム１の純水タンク２３の水量に基づいて、燃料電池２内に純水を循環する運転モードと純水を循環しない運転モードとを最適に選択することを主とした狙いとしている。
【００１２】
燃料電池システム１は、燃料電池（本体）２と、これを運転するための補機類（純水循環装置、冷却水循環装置）とを含んで構成される。
燃料電池２には、この状態を検出するための温度センサ３及びセル電圧センサ４が設けられている。温度センサ３は、燃料電池２内の温度ＴFCを検出する。セル電圧センサ４は、燃料電池２の発電効率を算出するためのセル電圧を検出する。
【００１３】
燃料電池２には、燃料としての水素（燃料ガス）を供給する燃料供給手段５から供給された燃料が通過する燃料供給流路６と、空気供給手段７から供給された空気（酸素剤ガス）が通過する空気供給流路８とを接続している。燃料供給流路６には、燃料電池２に供給される燃料の圧力を検出する燃圧センサ９が設けられている。空気供給流路８には、燃料電池２内に導入される空気の圧力を検出する圧力センサ１１とが設けられている。
【００１４】
燃料電池２に供給された燃料及び空気（反応ガス）は、燃料電池２内で発電に使用された後に反応生成物として燃料側排出流路１２及び空気側排出流路１３を介してそれぞれ排出される。
そして、燃料電池２を最適な温度に保つため、燃料電池２内には不凍液であるロングライフクーラント（以下「ＬＬＣ」と称する）を、ＬＬＣ循環流路１５を介して供給する。ＬＬＣとしては、例えば、エチレングライコールと水との混合液がある。
【００１５】
ＬＬＣ循環流路１５（ＬＬＣの循環系）には、冷却水循環装置を構成するラジエータ１６、バイパスバルブ１７、ＬＬＣタンク１８、ＬＬＣ循環ポンプ１９及びＬＬＣ温度センサ２０がそれぞれ配設している。バイパスバルブ１７は、ＬＬＣの温度に応じて、ラジエータ１８をバイパスする流量を調整し、燃料電池２を最適な温度に保つ。ＬＬＣ循環ポンプ１９は、その駆動（ＯＮまたはＯＦＦの制御）により、ＬＬＣタンク１８内にＬＬＣを燃料電池２内に循環可能とする。ラジエータ１６は、燃料電池２を冷却するためのＬＬＣを風により熱を奪い冷却する。
【００１６】
更に、燃料電池２内の水分状態を最適に保つため、燃料電池２内の膜を加湿するための純水を、純水循環流路２２を介して供給する。
純水循環流路２２（純水の循環系）には、純水循環装置を構成する純水タンク２３、純水循環ポンプ２４、流量センサ２５がそれぞれ配設している。純水タンク２３には、純水の温度を検出する温度センサ２６と、純水タンク２３内の水量（水位）を検出するための水量センサ２７と、余剰の水をタンク２３から排出する排水バルブ２８とをそれぞれ配設している。純水循環ポンプ２４は、その駆動（ＯＮまたはＯＦＦの制御）により、純水タンク２３内の水を燃料電池２内に循環可能とする。排水バルブ２８は、純水タンク２３内の水量に応じた開閉をする。
【００１７】
なお凍結対策として、燃料電池システム１が０℃未満の状態で曝される場合には、純水を純水タンク２３内に回収する。純水タンク２３は、純水凍結時の体積膨張を許容できる構成（例えば体積膨張分の弾性変形をする構成）となっている。更に、純水タンク２３（タンク２３の外壁）内をＬＬＣが循環しており、タンク２３内の純水が凍結した場合には、ＬＬＣの熱によって氷を解凍可能になっている。
【００１８】
上述した燃料電池システム１の各状態を検出して制御するため、図２に示す通り、各種センサからの出力信号が制御ユニット３０に入力される。ここでは、燃料電池負荷信号（後述する燃料電池出力Ｗ）、燃料電池温度信号、ＬＬＣ温度信号、純水タンク温度信号、ガス露点信号、セル電圧および純水タンク水量信号が入力される。なお、燃料電池負荷信号は、アクセル開度等となる。
【００１９】
制御ユニット３０は、温度検出手段３１、ドライアウト状態検出手段３２、水量検出手段３３、純水循環判断手段３４および純水循環ポンプ制御手段３５を含んで構成される。
温度検出手段３１は、燃料電池２内の温度を検出する。燃料電池２内の温度は、温度センサ３の出力信号に基づいて検出する。なお、温度検出手段３１の検出結果により凍結状態を検出するようにしてもよい。
【００２０】
ドライアウト状態検出手段３２は、燃料電池２の膜・電極接合体のドライアウト状態、すなわち膜・電極接合体の加湿状態を検出する。
水量検出手段３３は、純水タンク２３内の純水の水量を検出する。この水量は、水量センサ２７の出力信号に基づいて算出した値とする。
純水循環判断手段３４は、温度検出手段３１、ドライアウト状態検出手段３２および水量検出手段３３の検出結果に基づいて、燃料電池２内に純水を循環させるかどうかを判断する。例えば、純水タンク２３内の水量が所定値未満の時に、純水循環ポンプ２４の駆動を停止させる。なお、ドライアウト状態であれば純水循環ポンプ２４に駆動信号を発して、膜・電極接合体の加湿を図ってもよい。
【００２１】
純水循環ポンプ制御手段３５は、純水循環判断手段３４が純水の循環が必要と判断したときに、純水循環ポンプ２４を駆動して純水を循環する。これにより燃料電池２の膜・電極接合体を加湿する。純水循環ポンプ２４の駆動は、ＯＮ若しくはＯＦＦの切り換え制御のみならず、ＯＮにしたときの純水の循環量（循環速度）を変化させるものであってもよい。
【００２２】
なお制御ユニット３０は、各種状態に基づいて燃料供給手段５および空気供給手段７の供給量制御、ＬＬＣ循環ポンプ１９の駆動制御や、バイパスバルブ１７および排水バルブ２８の開閉制御等の制御を行う。
ここで図３を用いて燃料電池２内のセル構成について説明する。なお図には、３つのセル４０が積層された状態を示している。
【００２３】
１つのセル４０（単セル）は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）４１、ガス拡散層（ＧＤＬ）４２（４２ａ，４２ｂ）、アノード側プレート（セパレータ）４３、カソード側プレート（セパレータ）４４及びＬＬＣプレート４５から構成される。
ＭＥＡ４１は、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を接合してなり、一方の面がアノードで、他方の面がカソードとなるように形成している。ＧＤＬ４２は、ＭＥＡ４１の両面に形成され、アノード側に形成されるアノード側ＧＤＬ４２ａと、カソード側に形成されるカソード側ＧＤＬ４２ｂとからなる。ＧＤＬ４２は、燃料電池２の電極を構成する基幹部分であり、燃料ガスの透過性と電気伝導性が要求されるため、可撓性のカーボンペーパで構成している。
【００２４】
アノード側ＧＤＬ４２ａにはセパレータとしてのアノード側プレート４３が配置され、カソード側ＧＤＬ４２ｂにはセパレータとしてのカソード側プレート４４が配置されている。
アノード側プレート４３におけるＭＥＡ４１の反対側の面（図の左側）には、ＬＬＣプレート４５が配置されている一方、カソード側プレート４４におけるＭＥＡ４１の反対側の面（図の右側）には、隣接するセル４０のＬＬＣプレート４５が配置されている。
【００２５】
ここでは、カソード側プレート４４のみポーラスタイプ（浸透型）となっている。そして、アノード側プレート４３およびＬＬＣプレート４５は、ソリッドタイプのプレートとしている。すなわち、ポーラスタイプとなっているカソード側プレート４４からは液体（純水）を浸透させることが可能である一方、ソリッドタイプとなっているアノード側プレート４３およびＬＬＣプレート４５からは液体の浸透を防止している。
【００２６】
カソード側プレート４４の両面には流路が形成されており、ＭＥＡ４１側（図の左側）には空気が流れる空気流路（酸素剤ガス流路）４６が形成される一方、ＬＬＣプレート４５側（図の右側）には純水が流れる純水流路４７がそれぞれ形成されている。カソード側プレート４４の純水流路４７には純水が流れているため、カソード側プレート４４の空間部（ポーラス部）は純水で満たされている。これにより、ＭＥＡ４１の適度な加湿状態を保つと共に、ＭＥＡ４１を加湿するための加湿器および加湿用に水を回収するための水回収装置が不要となり簡素な構成となる。
【００２７】
一方、ＭＥＡ４１を挟んで反対側に配置されたアノード側プレート４３におけるＭＥＡ４１側（図の右側）には、反応ガスとしての燃料が通流する燃料流路（燃料ガス流路）４８が形成されている。
ＬＬＣプレート４５には、これに隣接するアノード側プレート４３側（図の右側）にＬＬＣが通流するＬＬＣ流路４９が形成されている。
【００２８】
尚、これまではカソード側プレート４４のみポーラスタイプとしていたが、これに限定されるものではない。すなわち、アノード側プレート４３のみポーラスタイプとしてもよく、あるいはアノード側プレート４３およびカソード側プレート４４の両方をポーラスタイプとしてもよい。これによりＭＥＡ４１の加湿状態を適切に保つことを可能とする。
図４は、ポーラスタイプであるカソード側プレート４４の流路形状を示す図であり、（イ）はＭＥＡ４１面側、（ロ）はＬＬＣプレート４５面側を示している。燃料電池２には図１で説明したように、燃料ガス、空気、純水及びＬＬＣの４つの流体が流れる。よって、これらの流体を流すため、プレート内には出入口（入口４６ａ〜４９ａ及び出口４６ｂ〜４９ｂ）を全部で８つ形成した内部マニホルドとしている。
【００２９】
図４（イ）に示す通り、エアマニホルドは、複数の列として形成される往路（図の右側）及び復路（図の左側）から空気流路４６が構成されており、空気の流れは、入口側と出口側とが同じ面となるリターンタイプのフローパターンとなっている。空気は空気流路４６の往路を、エアマニホルド入口４６ａ側からＬＬＣマニホルド出口４９ｂ側（図の上側）に向かって流れ、復路にて折返した後に入口側（図の下側）に戻り、エアマニホルド出口４６ｂから排出される。
【００３０】
図３および図４（ロ）に示す通り、カソード側プレート４４のＬＬＣプレート４５側には純水流路４７が形成されており、純水マニホルド入口４７ａから供給された純水を純水マニホルド出口４７ｂに排出する。純水流路４７は、前述の空気流路４６に対して直交する方向に形成されており、空気流路４６の往路と復路とを結ぶように形成されている。
燃料電池２に導入されたドライな空気は、空気流路４６の往路の前半部分に主に加湿される。一方、空気流路４６の復路では、反応による生成水で水分過剰になった空気の凝縮が起こる。よって、凝縮水を加湿部に運ぶ形で、純水は空気流路４６の復路側から往路側に向かって流れる。
【００３１】
図５は、ポーラスタイプのカソード側プレート４４内の水移動を示す図であり、（イ）は空気流路４６の復路断面、（ロ）は往路断面を示す図である。
カソード側プレート４４は、ポーラスタイプであり空間が存在するため、プレート４４内を水が移動できる。水が移動するドライビングフォースは毛細管力であるため、水は余剰部分から不足部分へと自然に移動していく。空気流路４６の復路側では、凝縮によってプレート４４の表面に形成された液相の水が純水流路４７側に向かって移動する（（イ）参照）。一方、往路側では空気が加湿され、空気流路４６表面で水が気化するため、プレートが乾き、純水流路４７から表面に向かって水が移動する（（ロ）参照）。
【００３２】
なお、ここでは毛細管力によるドライビングフォースにより水を移動させているが、移動速度を大きくするため、空気と純水との間に圧力差を設けてもよい。このようにしてポーラスプレート内には常に充分な水が存在する結果、膜の水分が最適に保たれる。
ここで本発明では、純水タンク２３内の水量が十分に確保されていない場合には、純水循環ポンプ２４を停止するように制御している。これは例えば、純水タンク２３内の水量が低減している状態において純水循環ポンプ２４を駆動した場合には、無負荷運転を行うおそれがあり、純水循環ポンプ２４を破損または純水循環ポンプ２４の耐久性を損なうことを防止するためである。図６には、この制御フローを示している。
【００３３】
ステップ１１（図では「Ｓ１１」と示す。以下同様）では、純水タンク２３内の水量ＶWを呼び込む。この水量ＶWは、水量センサ２７の出力信号に基づいて算出した値を用いる。
ステップ１２では、純水タンク２３内の水量ＶWを所定値Ｖ0と比較する。所定値Ｖ0は、純水循環ポンプ２４を駆動するか否かの判断値であり、例えば３Ｌとする。これにより純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない運転モードとのいずれか一方の運転モードを選択する。これが運転モード選択手段に相当する。
【００３４】
純水タンク２３内の水量ＶWが３Ｌ以上の時（ＶW≧Ｖ0）にはステップ１３へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＮとして、純水を循環する運転モードを実施する（純水循環運転モード）。この運転モードは純水循環ポンプ制御手段３５により行い、純水循環ポンプ２４を駆動して純水を循環することで燃料電池２のＭＥＡ４１を加湿する。なお、純水循環ポンプ２４の駆動は、純水の循環量（循環速度）を変化させるものであってもよい。
【００３５】
一方、ステップ１２にて純水タンク２３内の水量ＶWが３Ｌ未満の時（ＶW＜Ｖ0）にはステップ１４へ進み、純水循環ポンプ２４をＯＦＦとして、純水を循環しない運転モードを実施する（純水なし運転モード）。
本実施形態によれば、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を配置してなる膜・電極接合体（ＭＥＡ）４１およびその両面に配置されたセパレータ（アノード側プレート４３およびカソード側プレート４４）を有する単セル４０を積層して形成し、この単セル４０の各セパレータ４３，４４の少なくとも一方をポーラスタイプとして形成し、各セパレータの膜・電極接合体４１側の面に形成したガス流路（燃料流路４８および空気流路４６）に反応ガス（燃料ガス、酸素剤ガス）を通流させて発電を行い、ポーラスタイプとしたセパレータの膜・電極接合体４１と反対側の面に形成した純水流路４７に純水を流通させる燃料電池（本体）２と、この燃料電池２を加湿するための純水循環ポンプ２４及び純水タンク２３を含んで構成される純水循環装置と、を有する燃料電池システム１において、純水タンク２３内の水量ＶWを検出する水量検出手段（水量センサ２７、ステップ１１）と、水量検出手段の検出結果に基づいて純水流路４７に純水を循環する純水循環運転モード（ステップ１３）と純水を循環しない純水なし運転モード（ステップ１４）とのいずれか一方の運転モードを選択する運転モード選択手段（ステップ１２）と、を有する。このため、純水タンク２３内の水量ＶWにより純水なし運転モードと純水運転モードとを適切に選択することができる。
【００３６】
また本実施形態によれば、運転モード選択手段は、純水タンク２３内の水量ＶWが所定値未満（ＶW＜Ｖ0）の時に、純水なし運転モードを選択する（ステップ１２，１４）。このため、水タンク２３内の水量ＶWが少ない場合には、純水を循環しない純水なし運転モードで運転でき、純水循環ポンプ２４が無負荷状態での運転による破損を防止することができる。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお本実施形態における構成図は図１と同じである。
本実施形態では、純水なし運転モード中において燃料電池２内の温度ＴFCに基づいて燃料電池２の負荷を制限することを狙いとしている。
セル４０の純水流路４７に供給される純水の要求が低い場合には、ポーラスタイプのプレート４４の毛細管力による水移動だけでも十分な水移動量を達成することができる。
【００３８】
しかし、要求される水移動量が大きくなった場合には、純水循環ポンプ２４を駆動して純水を循環させないと、ポーラスタイプのカソードプレート４４の内部に蓄えている水が持ち出されるため、プレートがドライアウトしてしまう。
図７は、燃料電池２内の温度ＴFCおよび負荷（出力Ｗ）に対するカソード側プレート４４内の要求水移動量Ｆを示す図である。燃料電池２の出力Ｗが高いほど、または温度が高いほど、要求される水移動量Ｆが大きく、ドライアウトが発生する。なお図７には、ポーラスの物性値すなわちポア径、ポロシティおよび接触角等で決まる最大の水移動量ＦMAXを点線にて示している。よって、要求水移動量ＦがＦMAXより大きくなる条件においては、純水の循環を行わないとプレート４４がドライアウトしてしまう。
【００３９】
図８には、本実施形態における制御フローを示している。なお、ステップ１１〜１４については前述の処理と同じであるため説明は省略し、ステップ２１〜２６の処理について説明する。
ステップ２１では、純水タンク２３内の水量ＶWが所定値未満（ＶW＜Ｖ0）で純水循環ポンプ２４をＯＦＦにし、純水を循環しない運転モードを実施する状態（純水なし運転モード）であり、燃料電池２内の温度ＴFCを呼び込む。燃料電池温度ＴFCは温度センサ３の出力信号により算出した値を用いる。
【００４０】
ステップ２２では、燃料電池温度ＴFCに基づいて燃料電池２の最大出力Ｗmaxを呼び込む。最大出力Ｗmaxは図７に示すプレート内要求水移動量算出マップにより、最大の水移動量ＦMAXの線において燃料電池温度ＴFCに対応した燃料電池出力とする。
ステップ２３では、燃料電池２の現在の要求出力Ｗinを呼び込む。現在の要求出力Ｗinについても図７に示すプレート内要求水移動量算出マップを用い、現在の水移動量Ｆの線において燃料電池温度ＴFCに対応した燃料電池出力とする。
【００４１】
ステップ２４では、現在の要求出力Ｗinを最大出力Ｗmaxと比較する。これにより純水なし運転モード中において、燃料電池２内の温度ＴFCに基づいて、燃料電池２の出力（負荷）Ｗを制限する。
要求出力Ｗinが最大出力Ｗmax以上（Ｗin≧Ｗmax）である場合にはステップ２５へ進み、燃料電池２の出力Ｗを最大出力Ｗmaxにする。これにより燃料電池２の出力がＷmaxを越えることなく制限され、図７に示すように、ドライアウトの発生を防止する。
【００４２】
一方、要求出力Ｗinが最大出力Ｗmax未満（Ｗin＜Ｗmax）である場合にはステップ２６へ進み、燃料電池２の出力Ｗを要求出力Ｗinにする。
本実施形態によれば、純水なし運転モード（ステップ１４）中において燃料電池２の負荷（出力Ｗ）を制限する負荷制限手段（ステップ２４〜２６）を有する。このため、燃料電池２の出力Ｗを制限することでポーラスタイプのセパレータ（カソード側プレート４４または／およびアノード側プレート４３）のドライアウトを防止できる。
【００４３】
また本実施形態によれば、燃料電池２内の温度ＴFCを検出する温度検出手段（ステップ２１）を有し、負荷制限手段は、純水なし運転モード（ステップ１４）中において温度検出手段の検出結果（燃料電池２内の温度ＴFC）に基づいて燃料電池２の負荷（出力Ｗ）を制限する（ステップ２２〜２６）。このため、燃料電池２の温度ＴFCに基づいて燃料電池２の出力Ｗを精度良く制限できる。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお本実施形態における構成図は図１と同じである。
本実施形態では、ポーラスタイプのカソード側プレート４４（または／およびアノード側プレート４３）のドライアウト状態の予測により、燃料電池２の負荷（出力Ｗ）を制限することを狙いとしている。
【００４５】
前述の第２の実施形態では、燃料電池２の出力（負荷）Ｗと温度ＴFCとから水の移動量（速度）を予測して、燃料電池２の出力Ｗを制限した。これはカソード側プレート４４内に水が充分に満たされている場合を想定した定常的な予測である。
これに対して、本実施形態では、カソード側プレート４４内の水の充填状態といったこれまでの履歴を考慮してプレート４４のドライアウト状態の判断を行う。
【００４６】
図４（イ）および図５（ロ）に示したように、空気流路４６の往路側では加湿が行われる。水が充分に供給されれば、カソード側プレート４４は常に水で満たされているが、実際の水移動量が要求水移動量Ｆよりも小さくなった場合には、プレート４４はＭＥＡ４１側の表面から乾き始める。この状態がしばらく続くと、プレート４４が厚さ方向に渡って純水流路４７まで乾いて、純水流路４７に空気が漏れることによりドライアウトが発生する。
【００４７】
図９には、各燃料電池温度ＴFCについて、燃料電池出力Ｗに対するドライアウトまでの運転時間τを示している。燃料電池２の温度ＴFCが高いほど、且つ燃料電池出力Ｗが大きいほど、ドライアウトまでの時間τは短くなる。なお、この結果は、燃料電池システム１（燃料電池２）が一定条件、すなわち一定出力、一定温度で運転し続けた場合におけるものである。運転条件が変わっていく場合においても、ドライアウトの進行はリニアに積算されていくので、ドライアウトの発生は以下の式で予測できる。
【００４８】
【数１】
2006032119.tif 000003
【００４９】
この式は、各運転条件でのドライアウト時間τの逆数である１/τを積算していき、その値が１．０になった時にドライアウトが発生すると予測できることを示している。
図１０には、燃料電池温度ＴFCと燃料電池出力Ｗとに対するドライアウト発生までの時間τの逆数（ここでは逆数をα（＝１/τ）とする）を示している。逆数αは、燃料電池温度ＴFCが高いほど、燃料電池出力Ｗが大きいほど、大きくなる。
【００５０】
なお、図中には燃料電池温度ＴFCおよび燃料電池出力Ｗが所定の条件の時にα＝０とすることを示している。この条件よりも燃料電池温度ＴFCが低い場合あるいは燃料電池出力Ｗが小さい場合には、逆数αは負の値（α＜０）を設定しており、ポーラスプレート４４内の水分が増加し、ドライアウトが改善されていく様子を模擬している。
図１１には、本実施形態における制御フローを示している。なお、本フローにおいても前述と同じ処理（ステップ１１〜１４）についての詳細な説明は省略し、ステップ３１〜４０について説明する。
【００５１】
ステップ３１では、純水タンク２３内の水量ＶWが所定値以上（ＶW≧Ｖ0）で純水循環ポンプ２４をＯＮにし、純水を循環する運転モードを実施する状態（純水循環運転モード）であり、ドライ指標Σ１/τｄｔを０にする。
またステップ３２では、純水タンク２３内の水量ＶWが所定値未満（ＶW＜Ｖ0）で純水循環ポンプ２４をＯＦＦにし、純水を循環しない運転モードを実施する状態（純水なし運転モード）であり、ドライ指標Σ１/τｄｔを０にセットする。
【００５２】
ステップ３３では、燃料電池温度ＴFCおよび燃料電池要求出力Ｗinを呼び込む。
ステップ３４では、呼び込んだ燃料電池温度ＴFCおよび燃料電池要求出力Ｗinから図１０のマップにより、ドライアウト発生までの時間τの逆数１/τを呼び込む。
ステップ３５では、ドライ指標Σ１/τｄｔに今回検出された１/τを付加することで現在のドライ指標を更新する（Σ１/τｄｔ＝Σ１/τｄｔ＋１/τ）。なお、ドライ指標Σ１/τｄｔの更新は、例えば１秒ごとに行う。
【００５３】
ステップ３６では、現在のドライ指標Σ１/τｄｔを所定のドライアウト判定値β（例えばβ＝０．７とする）と比較し、ポーラスタイプであるカソード側プレート４４におけるドライアウトの懸念がないかを判断する。これがドライアウト状態判断手段に相当する。
現在のドライ指標Σ１/τｄｔが所定のドライアウト判断値β未満（Σ１/τｄｔ＜β）である場合には、ドライアウトの懸念がないと判断して、燃料電池２の出力制限は行わない。この場合には、前述のステップ３４へ戻って処理を繰り返す。
【００５４】
一方、現在のドライ指標Σ１/τｄｔが所定のドライアウト判断値β以上（Σ１/τｄｔ≧β）である場合には、ドライアウトの懸念があると判断して、ステップ３７へ進む。
ステップ３７では、図１０のマップにより、ドライアウトが起こらない１/τ＝０となる条件を燃料電池２の最大出力Ｗmaxとし、これを呼び込む。
ステップ３８では、燃料電池要求出力Ｗinと最大出力Ｗmaxとを比較し、出力Ｗの制限を行う。これが出力制限手段に相当する。燃料電池要求出力Ｗinが最大出力Ｗmax以上（Ｗin≧Ｗmax）である場合には、ステップ３９にて燃料電池２の出力Ｗを最大出力Ｗmaxとする。一方、燃料電池要求出力Ｗinが最大出力Ｗmax未満（Ｗin＜Ｗmax）である場合には、ステップ３９にて燃料電池２の出力Ｗを要求出力Ｗinとする。ステップ３９またはステップ４０により、純水なし運転モード中においてカソード側プレート４４がドライアウトしない条件になるよう燃料電池２の出力（負荷）Ｗを制限する。
【００５５】
なお、本制御フローでは燃料電池起動後に、ドライ指標Σ１/τｄｔの初期値を常に０としていたが、前回のドライ指標Σ１/τｄｔの値を保持しておき、その値から開始してもよい。あるいは停止時の保管状態（例えば乾燥状態）に応じて、ドライ指標Σ１/τｄｔの初期値に補正を加えてもよい。
本実施形態によれば、ポーラスタイプのセパレータ（アノード側プレート４３またはカソード側プレート４４）のドライアウト状態を判断するドライアウト状態判断手段（ステップ３６）を有し、負荷制御手段は、純水なし運転モード中においてドライアウト状態判断手段の判断結果に基づいて燃料電池２の負荷（出力Ｗ）を制限する（ステップ３８〜４０）。このため、純水なし運転モード中におけるカソード側プレート４４のドライアウトを防止できる。
【００５６】
また本実施形態によれば、負荷制限手段は、ポーラスタイプのセパレータ４３，４４がドライアウトしない条件になるよう燃料電池２の負荷（出力Ｗ）を制限する（ステップ）。このため、例えば燃料電池２の出力Ｗを要求出力Ｗin若しくは最大出力Ｗmaxのような所定値に設定して制限することで、カソード側プレート４４のドライアウトを防止できる。
【００５７】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、本実施形態における構成は図１と同じである。
本実施形態では、純水タンク２３内の水量が所定値未満（ＶW＜Ｖ0）の状態での純水なし運転モード中において、純水タンク２３内の水量ＶWを増加させるため、水回収が可能な運転条件を設定することを狙いとしている。
【００５８】
図１２には、燃料電池温度ＴFC（またはＬＬＣ温度ＴLLC）と空気ＳＲとに対する予測水回収量を示している。純水循環装置（燃料電池システム１）の予測水回収量は、燃料電池温度ＴFC（またはＬＬＣ温度ＴLLC）が低いほど、空気ＳＲが小さいほど大きくなる。燃料電池温度ＴFCが高くなる、あるいは空気ＳＲが大きくなると予測水回収量がマイナスとなり、プレート４４がドライアウトすることになる。純水タンク２３内の水量ＶWが所定値未満である場合には、予測水回収量がプラスとなる条件で運転し、純水タンク２３内の水量ＶWを増やして、純水循環運転モードに移行できるようにする。
【００５９】
図１３には、本実施形態の制御フローを示している。なお、ステップ１１〜１４については前述の処理と同じであるため、これらの説明を省略する。
ステップ４１では、純水タンク２３内の水量ＶWが所定値未満（ＶW＜Ｖ0）で純水循環ポンプ２４をＯＦＦにし、純水を循環しない運転モードを実施する状態（純水なし運転モード）であり、燃料電池温度ＴFCを呼び込む。
【００６０】
ステップ４２では、図１２のマップから予測水回収量がプラスとなる空気ＳＲを設定する。
本実施形態によれば、純水循環装置における水回収量を予測する水回収量予測手段（図１２）と、純水なし運転モード中において水回収量予測手段の予測結果に基づく水回収運転をする水回収運転手段（ステップ４２）と、を有する。このため、純水タンク２３内の水量ＶWを増加でき、短時間で純水循環運転モードに移行でき、燃料電池２の出力Ｗを増加できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃料電池システムの構成図
【図２】制御ユニットの構成図
【図３】燃料電池のセルを示す構成図
【図４】カソード側プレートの流路形状を示す図
【図５】カソード側プレート内の水移動を示す図
【図６】第１の実施形態における制御フロー
【図７】プレート内要求水移動量算出マップ
【図８】第２の実施形態における制御フロー
【図９】ドライアウトまでの運転時間を示す図
【図１０】ドライアウト発生までの時間の逆数を示す図
【図１１】第３の実施形態における制御フロー
【図１２】予測水回収量算出マップ
【図１３】第４の実施形態における制御フロー
【符号の説明】
【００６２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池（本体）、３…温度センサ、５…燃料供給手段、７…空気供給手段、１５…ＬＬＣ循環流路、１６…ラジエータ、１７…バイパスバルブ、１８…ＬＬＣタンク、１９…ＬＬＣ循環ポンプ、２２…純水循環流路、２３…純水タンク、２４…純水循環ポンプ、２６…温度センサ、２７…水量センサ、３０…制御ユニット、３１…温度検出手段、３２…ドライアウト状態検出手段、３３…水量検出手段、３４…純水循環判断手段、３４…純水循環ポンプ制御手段、４０…セル、４１…ＭＥＡ、４２…ＧＤＬ、４３…アノード側プレート、４４…カソード側プレート、４５…ＬＬＣプレート、４６…空気流路、４７…純水流路、４８…燃料流路、４９…ＬＬＣ流路
【図１】
2006032119.tif 000004
【図２】
2006032119.tif 000005
【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】
2006032119.tif 000010
【図８】
2006032119.tif 000011
【図９】
2006032119.tif 000012
【図１０】
2006032119.tif 000013
【図１１】
2006032119.tif 000014
【図１２】
2006032119.tif 000015
【図１３】
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