(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの出入口における水収支を算出することにより電解質膜の乾燥を防止することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２で排出された排出空気ガスから燃料電池スタック２に供給される供給空気ガスへ水交換を行なう水交換器９を備えており、空気ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて排出空気ガスから供給空気ガスへの水収支を算出し、この水収支の値に基づいて燃料電池スタック２の電解質膜が乾燥しているか否かを判定し、乾燥していると判定されたときには電解質膜が湿潤状態に復帰するように制御することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池により排出された排出酸化剤ガスから前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスへ水交換を行なう燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて前記排出酸化剤ガスから前記供給酸化剤ガスへの水収支を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水収支に基づいて前記燃料電池の電解質膜が乾燥しているか否かを判定する乾燥判定を行い、この乾燥判定により前記電解質膜が乾燥していると判定されたときには前記燃料電池の電解質膜が湿潤状態に復帰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３】
前記水収支は、前記排出酸化剤ガスに含まれる水量から、前記供給酸化剤ガスに含まれる水量と前記燃料電池による生成水量とを差し引いて算出することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出酸化剤ガスに含まれる水量と前記供給酸化剤ガスに含まれる水量は、状態方程式によって算出されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記乾燥判定では、燃料電池単セルの場合における水収支と発電性能との関係を記録したマップに基づいて所定値が設定され、この所定値に基づいて乾燥判定が行われることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記乾燥判定において、前記電解質膜が乾燥していると判定されたときには酸化剤ガスの流量を低下させることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記乾燥判定において、前記電解質膜が乾燥していると判定されたときには酸化剤ガスの圧力を低下させることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記乾燥判定において、前記電解質膜が乾燥していると判定されたときには酸化剤ガスの温度を低下させることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記乾燥判定において、前記電解質膜が乾燥していると判定されたときには前記燃料電池の発電を中止することを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水収支に基づいて、前記燃料電池においてフラッディングが起きているか否かを判定し、フラッディングが起きていると判定されたときには酸化剤ガスの流量を上昇させ、酸化剤ガスの圧力を低下させ、酸化剤ガスの温度を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水収支に基づいて、前記燃料電池において水つまりが起きているか又は前記電解質膜が加湿過剰であるかを判定し、前記水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには前記燃料電池の電解質膜が湿潤状態に復帰するように制御することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには酸化剤ガスの流量を上昇させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには酸化剤ガスの圧力を低下させることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには酸化剤ガスの温度を上昇させることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記水収支に基づいて、前記燃料電池の氷点下における起動性能を判定する氷点下起動判定を行い、この氷点下起動判定により前記燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには前記燃料電池の氷点下における起動性能を復帰させるように制御することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記氷点下起動判定において、前記燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには、酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記氷点下起動判定において、前記燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには、酸化剤ガスの圧力を低下させることを特徴とする請求項１５または１６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記氷点下起動判定において、前記燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには、酸化剤ガスの温度を上昇させることを特徴とする請求項１５から請求項１７のいずれか１項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、燃料電池から排出された酸化剤ガスを利用して燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する燃料電池システムに係り、特に燃料電池の出入口における水収支を算出することにより電解質膜の乾燥を防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ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガス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り、その一つとして電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜で燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させるためには、電解質膜を湿潤状態に保ち、乾燥を防ぐ必要がある。
【０００４】
そこで、従来から電解質膜の湿潤判定が行なわれており、このような湿潤判定を行なって電解質膜を湿潤状態に維持する燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００２−２３１２８３号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００５】
この従来例では、燃料電池の運転条件に変動が生じた場合でも、電解質膜を十分に湿潤状態に維持して高い出力が得られるようにするため、燃料電池の出口側における空気ガスの水蒸気分圧、あるいは出口側における水素ガスの水蒸気分圧、燃料電池の内部抵抗のうちの少なくとも一つの計測値と、あらかじめ設定した基準値との差を監視していた。
【特許文献１】特開２００２−２３１２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、空気ガスの水蒸気分圧の計測器や水素ガスの水蒸気分圧の計測器、燃料電池の内部抵抗の計測器などの計測器を設置する必要があり、部品点数の増加につながってしまうという問題点があった。
【０００７】
また、電解質膜の湿潤判定は、設置した計測器の精度と信頼性に依存するところが大きいが、水蒸気分圧の計測や内部抵抗の計測は信頼性が劣るため、これらの計測値によって電解質膜の湿潤判定を行うと、燃料電池システムとしての信頼性を確保することができないという問題点もあった。
【０００８】
とくに、燃料電池から排出された空気ガスを利用して燃料電池に供給される空気ガスを加湿する燃料電池システムでは、供給される空気ガスの加湿条件がガスの流量や作動圧力、温度によってさまざまに変動するため、空気ガスの水蒸気分圧、水素ガスの水蒸気分圧、内部抵抗の３種類の計測値をもとに電解質膜の湿潤判定を行なうと、燃料電池システムとしての信頼性を確保することがさらに困難であった。
【０００９】
したがって、燃料電池から排出された空気ガスを利用して燃料電池に供給される空気ガスを加湿する燃料電池システムでは、水蒸気分圧の計測器や内部抵抗の計測器などが設置されて部品点数が多くなるという問題点とともに、燃料電池システムとしての信頼性を確保することができないという問題点もあった。
【００１０】
さらに、上述した従来の燃料電池システムでは、常温における電解質膜の湿潤判定を行なっているだけで、燃料電池スタックを停止した後に氷点下で再起動する場合の氷点下起動性は考慮されていないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池により排出された排出酸化剤ガスから前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスへ水交換を行なう燃料電池システムであって、前記酸化剤ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて前記排出酸化剤ガスから前記供給酸化剤ガスへの水収支を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムでは、酸化剤ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて排出酸化剤ガスから供給酸化剤ガスへの水収支を算出するので、水蒸気分圧の計測器や燃料電池の内部抵抗の計測器などを設置する必要がなくなり、部品点数を増加させることなく水収支の値を算出して電解質膜の乾燥状態を把握することができる。これによって運転条件の変動に対しても常に電解質膜の状態を制御して電解質膜を湿潤状態に維持するこができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１を制御する制御システム３と、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する水素燃料タンク４と、水素ガスを燃料電池スタック２に供給する水素供給装置５と、燃料電池スタック２に供給される水素ガスを加湿する加湿装置６と、燃料電池２で消費されなかった水素ガスを再循環させる燃料循環路７と、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック２のカソードに供給する空気供給装置８と、燃料電池スタック２から排出された空気と燃料電池スタック２に供給される空気との水交換を行なう水交換器９と、燃料電池スタック２のカソード出入口における水収支の値を算出する演算装置１０と、加湿装置６を調節して水素ガスの温度を調節する温度調節装置１１と、加湿装置６を調節して水素ガスの圧力を調節する調圧装置１２と、燃料電池スタック２で発電された直流電力を交流に変換してモータ１３に供給するインバータ１４と、燃料電池スタック２で発電された電力を変換して二次電池１５に供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１６とを備えている。
【００１５】
このように構成された燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気ガスが供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
【００１６】
アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                       （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
ここで、燃料電池スタック２を構成するＵＥＡ（United Electrode Assembly）の構造を図２に基づいて説明する。図２に示すように、ＵＥＡ２１は、高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置したＭＥＡ（膜電極複合体）２２と、このＭＥＡ２２の両面にそれぞれ配置されたアノードＧＤＬ（ガス拡散層）２３とカソードＧＤＬ２４とから構成されている。そして、アノードＧＤＬ２３に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードＧＤＬ２４に酸化剤ガスである空気ガスが供給されている。このとき水素ガスと空気ガスは図２に示すようにカウンターフローになるように供給されている。そして、ＭＥＡ２２において上述した式（１）及び式（２）の反応を行なって発電している。
【００１７】
次に、制御システム３は、演算装置１０で算出された水収支の値に基づいて、燃料電池システム１を制御しており、特に水素供給装置５を制御することによって燃料電池ステック２に供給される水素ガスの流量を制御し、温度調節装置１１を制御することによって水素ガスの温度を制御するとともに調圧装置１２を制御することによって水素ガスの圧力を制御している。また、空気供給装置８を制御することによって、燃料電池スタック２に供給される空気の圧力や流量を制御するとともに、水交換器９を制御して空気の湿度を調節している。さらに、インバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１６を制御することによってモータ１３を駆動している。
【００１８】
水交換器９は、燃料電池スタック２から排出された湿潤な空気を利用して、空気供給装置８から供給された乾燥した空気を加湿している。特に構造の一例としては、無数の細い筒状のチューブに高圧で湿潤な空気を流し、その外側に乾燥した空気を流すようにしたもので、湿潤な空気の水分がチューブの中から外へ浸透し、乾燥した空気がこの水分を受け取って加湿されるようになっている。
【００１９】
上述したように構成された燃料電池システム１において、水素供給系では、水素燃料タンク４から水素供給装置５へ高圧水素が供給され、加湿装置６で加湿されて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給されている。このとき、温度調節装置１１が制御システム３からの制御信号に基づいて加湿装置６を制御することによって水素ガスの温度を調節し、また調圧装置１２が制御システム３からの制御信号に基づいて加湿装置６を制御することによって水素ガスの圧力を調節している。
【００２０】
一方、酸化剤ガスである空気ガスを供給する空気供給系では、空気供給装置８によって外部から取り入れられた空気が加圧されて水交換器９に送出され、水交換器９では制御システム９の制御信号に基づいて燃料電池スタック２から排出された空気と供給される空気との間で水交換が行なわれている。こうして水交換器９で加湿された空気は燃料電池スタック２のカソードに供給されている。
【００２１】
次に、本実施形態の燃料電池システム１による乾燥及びフラッディングの制御処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３に示すように、まず燃料電池スタック２に供給される供給空気ガスの加湿条件を演算する（Ｓ３０１）。この供給空気ガスの加湿条件は、水交換器９に流れる湿潤した排出空気ガスの流量と空気供給装置８から供給される乾燥した供給空気ガスの流量、温度及び圧力から露点という形で演算される。そして、排出空気ガスの相対湿度を１００％として、以下に示す（１）〜（４）式によって供給空気ガスと排出空気ガスとの間の水収支の値を演算装置１０が演算する（Ｓ３０２）。ここで、式（２）及び式（３）に示す供給空気ガスの水量と排出空気ガスの水量は状態方程式によって算出されている。
【００２２】
(水収支)＝(空気出口ガスの水量)−(空気入口ガスの水量)−(生成水量)・・・・（１）
（供給空気ガスの水量）＝Ｐ×Ｖｉ×Ｍ/Ｒ/Ｔ・・・・・・（２）
（排出空気ガスの水量）＝Ｐｓ×Ｖｏ×Ｍ/Ｒ/Ｔ・・・・・・（３）
（生成水量）＝（負荷電流）×（セル数）/２/（ファラデー定数）×Ｍ・・・・・・（４）
ここで、Ｐは供給空気ガスの加湿条件から演算された露点と作動圧力とから演算される水蒸気分圧、Ｖｉは供給空気ガスの流量、Ｍは水の分子量、Ｒは気体定数、Ｔは作動温度、Ｐｓは排出空気ガスの相対湿度を１００％として演算される露点と作動圧力とから演算される水蒸気分圧、Ｖｏは排出空気ガスの流量である。ただし、排出空気ガスの流量Ｖｏは（５）式により算出される。
【００２３】
Ｖｏ＝（供給空気ガスの流量）−（酸素利用率）・・・・・・（５）
こうして水収支の値が算出されると、次に算出された水収支の値と予め設定された第１の所定値とを比較する（Ｓ３０３）。この第１の所定値は、燃料電池単セルにおける水収支と発電性能との関係を記録したマップに基づいてＵＥＡが乾燥状態になってしまう水収支の値を予め求めておいたもので、この第１の所定値よりも水収支の値が大きいときにはＵＥＡの湿潤状態が不十分であり、乾燥していると判断して復帰制御を実施する（Ｓ３０４）。この復帰制御では、ガス流量を下げる、作動圧力を下げる、作動温度を下げる、という復帰処理の中から少なくとも１つの復帰処理が実施され、水収支の値が第１の所定置よりも小さくなるまで実施される。このとき、復帰処理を繰り返し行っても水収支の値が第１の所定値よりも小さくならないときには、燃料電池スタック２の発電を中止するようにしてもよい。
【００２４】
そして、第１の所定値よりも水収支の値が小さくなったときには、次にフラッディング判断のための第２の所定値と水収支の値とを比較する（Ｓ３０５）。この第２の所定値は、燃料電池が２セル〜３０セルの状態において、さまざまなガス流量、空気または水素の露点、作動温度、作動圧力に対して、フラッディングせずに安定して発電可能な領域を予め評価して決定しておいたものである。そして、第２の所定置よりも水収支の値が小さければ、フラッディングの危険があると判断して復帰制御を実施する（Ｓ３０６）。この復帰制御では、ガス流量を増大する、圧力を下げる、温度を上げる、という復帰処理を実施し、この復帰処理は水収支の値が第２の所定値よりも大きくなるまで実施され、水収支の値が第２の所定値よりも大きくなると本実施形態の燃料電池システム１による乾燥及びフラッディングの制御処理を終了する。
【００２５】
なお、第２の所定値は、フラッディング判断のためだけには限定されない。燃料電池が２セル〜３０セルの状態において、燃料電池において水つまりや加湿過剰な状態を起こさずに安定して発電可能な領域を予め評価して決定しても構わない。
【００２６】
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、空気ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて排出空気ガスから供給空気ガスへの水収支を算出するので、水蒸気分圧の計測器や燃料電池の内部抵抗の計測器などを設置する必要がなくなり、部品点数を増加させることなく水収支の値を算出して燃料電池システム１のＵＥＡの乾燥状態を把握することができる。
【００２７】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、水収支に基づいて乾燥判定を行い、この乾燥判定により電解質膜が乾燥していると判定されたときには燃料電池スタック２のＵＥＡが湿潤状態に復帰するように制御するので、燃料電池スタック２のＵＥＡが乾燥状態になることを防止することができ、燃料電池システム１の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００２８】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、排出空気ガスに含まれる水量から、供給空気ガスに含まれる水量と燃料電池スタック２による生成水量とを差し引くことによって水収支を算出するので、正確に水収支の値を算出することができ、これによって燃料電池スタック２のＵＥＡの乾燥状態を正確に把握して燃料電池システム１の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００２９】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、排出空気ガスに含まれる水量と供給空気ガスに含まれる水量を状態方程式によって算出するので、簡単かつ正確に空気ガスに含まれる水量を算出することができ、これによって水収支の値を簡単かつ正確に算出することができるので、燃料電池スタック２のＵＥＡの乾燥状態を正確に把握して燃料電池システム１の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥判定において、燃料電池単セルにおける水収支と発電性能との関係を記録したマップに基づいて所定値を設定し、この所定値に基づいて乾燥判定を行なうので、水蒸気分圧の計測器や燃料電池の内部抵抗の計測器などを設置することなく乾燥判定を行なうことができ、シンプルな構成で尚且つ信頼性や応答性、耐久性に優れた燃料電池システムを実現することができる。
【００３１】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥判定において電解質膜が乾燥していると判定されたときには空気ガスの流量を低下させるので、ＵＥＡを湿潤状態に復帰させることができ、これによってＵＥＡの乾燥を防止して安定した発電を継続させることができる。
【００３２】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥判定において電解質膜が乾燥していると判定されたときには空気ガスの圧力を低下させるので、ＵＥＡを湿潤状態に復帰させることができ、これによってＵＥＡの乾燥を防止して安定した発電を継続させることができる。
【００３３】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥判定において電解質膜が乾燥していると判定されたときには空気ガスの温度を低下させるので、ＵＥＡを湿潤状態に復帰させることができ、これによってＵＥＡの乾燥を防止して安定した発電を継続させることができる。
【００３４】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥判定において電解質膜が乾燥していると判定されたときには燃料電池の発電を中止するので、ＵＥＡが乾燥から復帰できないような場合にＵＥＡの膜破れが起こる危険性を回避することができ、これによって燃料電池システムの信頼性を確保することができる。
【００３５】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、水収支に基づいて燃料電池でフラッディングが起きているか否かを判定し、フラッディングが起きていると判定したときには空気ガスの流量を上昇させ、空気ガスの圧力を低下させ、空気ガスの温度を上昇させるので、ＵＥＡの水詰まりやフラッディングを防止することができ、燃料電池システム１の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００３６】
また、水収支に基づいて、燃料電池において水つまりが起きているか又は電解質膜が加湿過剰であるかを判定し、水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには燃料電池の電解質膜が湿潤状態に復帰するように制御しても構わない。これにより、燃料電池スタック２のＵＥＡが水つまり又は加湿過剰の状態になることを防止することができ、燃料電池システム１の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００３７】
また、水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには酸化剤ガスの流量を上昇させる。これにより、ＵＥＡを湿潤状態に復帰させることができ、これによってＵＥＡのＵＥＡが水つまり又は加湿過剰を防止して安定した発電を継続させることができる。
【００３８】
また、水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには酸化剤ガスの圧力を低下させる。これにより、ＵＥＡを湿潤状態に復帰させることができ、これによってＵＥＡのＵＥＡが水つまり又は加湿過剰を防止して安定した発電を継続させることができる。
【００３９】
また、水つまり又は加湿過剰であると判定されたときには酸化剤ガスの温度を上昇させる。これにより、ＵＥＡを湿潤状態に復帰させることができ、これによってＵＥＡのＵＥＡが水つまり又は加湿過剰を防止して安定した発電を継続させることができる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを図面に基づいて説明する。ただし、本実施形態の燃料電池システムの構成は、図１で示した第１の実施形態と同一なので、説明は省略する。
【００４１】
図４は、本実施形態の燃料電池システム１による乾燥、フラッディング、氷点下起動の制御処理を示すフローチャートである。図４に示すように、ステップＳ４０１からＳ４０６までの処理は図３で示した第１の実施形態の制御処理と同一なので詳しい説明を省略する。
【００４２】
ステップＳ４０１からＳ４０６における処理によって、水収支の値が第１の所定値以下となり、第２の所定値以上となったときには、次に氷点下における起動性能を判定するための第３の所定値と水収支の値とを比較する（Ｓ４０７）。この第３の所定値は、電解質膜の湿潤状態と氷点下における燃料電池スタックの起動性とを評価して予め決定しておくものである。
【００４３】
ここで、氷点下における起動性と電解質膜との関係を図５に基づいて説明する。図５に示すように、燃料電池の氷点下における起動性能は、電解質膜が乾燥している場合には高い起動性を発揮することができる。そして、電解質膜が湿潤な状態になると、氷点下における起動性能は低下していき、湿潤状態がある点を越えると急激に氷点下における起動性能は低下する。これは、電解質膜が湿った状態で氷点下になると、電解質膜が凍結するためである。
【００４４】
そこで、本実施形態では氷点下における起動性能が急激に低下し始める水収支の値を第３の所定値として設定しておき、この第３の所定置よりも水収支の値が小さければ、氷点下における起動性が確保できない恐れがあると判断して復帰制御を実施する（Ｓ４０８）。この復帰制御では、空気ガスの流量を増大する、空気ガスの圧力を下げる、作動温度を上げるという復帰処理を実施し、この復帰処理を水収支の値が第３の所定値よりも大きくなるまで実施して水収支の値が第３の所定値以上になったら、本実施形態の燃料電池システムによる乾燥、フラッディング及び氷点下起動の制御処理を終了する。
【００４５】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、水収支に基づいて燃料電池の氷点下における起動性能を判定する氷点下起動判定を行い、この氷点下起動判定により氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには氷点下における起動性能を復帰させるように制御するので、電解質膜を最適な湿潤状態に復帰させて燃料電池の停止後、氷点下で再起動する場合の氷点下起動性を十分に確保することができる。
【００４６】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、氷点下起動判定において、燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには、空気ガスの流量を増加させるので、空気ガスの流量を制御するだけの簡単な方法で電解質膜を最適な湿潤状態に復帰させることができ、氷点下における起動性能を十分に確保することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、氷点下起動判定において、燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには、空気ガスの圧力を低下させるので、空気ガスの圧力を制御するだけの簡単な方法で電解質膜を最適な湿潤状態に復帰させることができ、氷点下における起動性能を十分に確保することができる。
【００４８】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、氷点下起動判定において、燃料電池の氷点下における起動性能が低下していると判定されたときには、空気ガスの温度を上昇させるので、温度を制御するだけの簡単な方法で電解質膜を最適な湿潤状態に復帰させることができ、氷点下における起動性能を十分に確保することができる。
【００４９】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
燃料電池から排出された酸化剤ガスを利用して燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する燃料電池システムに係り、特に燃料電池の出入口における水収支を算出することにより電解質膜の乾燥を防止するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池を構成するＵＥＡの構造を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる乾燥及びフラッディングの制御処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによる乾燥、フラッディング及び氷点下起動の制御処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムにおける氷点下起動性と電解質膜との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  制御システム
４  水素燃料タンク
５  水素供給装置
６  加湿装置
７  燃料循環路
８  空気供給装置
９  水交換器
１０  演算装置
１１  温度調節装置
１２  調圧装置
１３  モータ
１４  インバータ
１５  二次電池
１６  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１  ＵＥＡ（United Electrode Assembly）
２２  ＭＥＡ（膜電極複合体）
２３  アノードＧＤＬ
２４  カソードＧＤＬ
【図１】
2006351506.tif 000003
【図２】
2006351506.tif 000004
【図３】
2006351506.tif 000005
【図４】
2006351506.tif 000006
【図５】
2006351506.tif 000007