(57)【要約】【課題】簡易な構成で、燃料電池の電解質膜の乾燥状態を適切に判断する燃料電池システムの制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池システムの制御装置（２０）は、燃料ガスの燃料電池スタック内における圧力損失を測定する測定手段と、この測定手段により測定された燃料ガスの圧力損失の低下が検出された場合に燃料電池スタック内の電解質膜が乾燥していると判断する判断手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの燃料電池スタック内における圧力損失を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された燃料ガスの圧力損失の低下が検出された場合に前記燃料電池スタック内の電解質膜が乾燥していると判断する判断手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの運転温度を測定する温度測定手段を更に備え、
前記判断手段は、前記温度測定手段により測定された燃料電池スタックの運転温度が所定の閾値温度より高く、前記燃料ガスの圧力損失の低下が検出された場合に、前記電解質膜が乾燥していると判断する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記温度測定手段は、前記燃料電池スタックから送出された冷却水の温度を運転温度として測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池スタックから送出される燃料ガスの経路上に設けられ燃料ガスの圧力を調整することにより前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの流量が略一定となるように調整する圧力調整弁を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは多孔質体のガス流路を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記判断手段により前記電解質膜が乾燥していると判断されると、前記燃料電池スタックの運転温度を下げるよう制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関し、特に、燃料電池スタック内の電解質膜のドライアップ検出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の各セルは、電解質膜の両面をガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成される。燃料電池は、このようなセルが複数積層された燃料電池スタック及びその他の部材がエンドプレートで挟み固定されることにより構成される。
【０００３】
各セルは、アノードに接合されるセパレータのガス供給路に供給される燃料ガスとカソードに接合されるセパレータのガス供給路に供給される酸化剤ガスとを電解質膜を介して反応させることによりそれぞれ発電を行う。具体的には、アノードに供給された燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層における酸化反応によりプロトン(水素イオ
ン)と電子とに分離され、プロトンが電解質膜を通ってカソードに移動し、電子が外部回
路を通ってカソードに移動することにより電流が生ずる。ここで、各セルの発電効率を維持するためには、プロトンの移動を確保するために電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。
【０００４】
しかしながら、発電時の電解質膜中では、プロトンの移動に伴いアノード側の水分がカソード側へ持ち去られる電気浸透現象が生ずる。更に、発電時には発熱も伴う。これらにより発電時は電解質膜が乾燥し易い状態となる。電解質膜が乾燥すると、電気抵抗が増大し、出力電流密度が低下することになる。
【０００５】
そこで、このようなセルから構成される燃料電池スタックでは、各セルのカソードの触媒層での化学反応により生成された水が利用されるような構造、外部加湿モジュールにより加湿された酸化剤ガスが各セルに供給される構成、発電により生じた熱を冷却するための冷却水が各セルに供給される構成等が設けられることにより、各セルの電解質膜が湿潤状態に保たれる。
【０００６】
ところで、このような燃料電池スタックの湿度制御を適切に行うためには、電解質膜の乾燥状態を適切に把握する必要がある。そこで、燃料電池スタックの換気出口近傍に湿度センサを設け、その湿度センサの検出値が最初のピークに達するまでの時間変化の傾きから電解質膜の乾燥状態を推定する手法が提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００７】
その他、本願発明に係る先行技術文献として以下のような文献が開示されている。
【０００８】
下記特許文献２は、電解質膜付近での水分過多によりガス拡散が阻害され電池性能が低下する現象（フラッディング）を防ぐための手法を開示する。この手法では、燃料ガスの圧力損失が測定されフラッディングが起きていると判断された場合には、運転温度を上げる又はガスの加湿量を下げるように制御することでフラッディングが抑制される。
【０００９】
下記特許文献３は、セル電圧低下率から燃料電池の湿潤状態を判定し、乾燥状態と判断されると反応ガスの圧力と加湿用の純水の圧力との圧力差が減少するように制御する手法を開示する。
【００１０】
下記特許文献４は、測定されたアノードの圧力とセパレータ湿潤時の圧力とを比較することでセパレータの乾燥状態を推定し、乾燥状態に応じて純水の供給を制御する手法を開示する。
【特許文献１】特開２００６−９３０２８号公報
【特許文献２】特開２００１−１４８２５３号公報
【特許文献３】特開２００６−３２０９４号公報
【特許文献４】特開２００５−８５５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述のような従来技術では、燃料電池スタックが高出力化され電流密度が高くなると、適切に電解質膜の乾燥状態を検出することができない。
【００１２】
電流密度が高くなるとカソードの単位面積当たりの生成水の量が増加する。生成水が多い場合には供給されるガスの湿度が低かったとしても電解質膜が湿潤状態に保たれる。従って、燃料電池スタックから送出されるガスの湿度だけでは、電解質膜の乾燥状態を適切に検出することができない。
【００１３】
セパレータに設けられたガス供給路が金属の多孔質体流路として形成される場合には、この問題点はより顕著となる。すなわち、多孔質体流路の含水量は通常の溝流路に較べてより多くなるため、電解質膜が乾燥状態にあったとしても流路に含まれる水分により燃料電池スタックから送出されるガスの湿度が高く検出されてしまうからである。
【００１４】
更に、湿度検出対象となるガスの状態に応じて、湿度（露点）センサには保温手段若しくは結露防止手段を設ける必要がある。このような手段がガスの湿度検出を妨げるため、当該センサではガスの湿度が下がるのに時間がかかり電解質膜の乾燥状態の検出が遅れてしまう。
【００１５】
一方で、燃料電池スタックの抵抗値又は電圧低下率により電解質膜の乾燥状態を検出する手法では、それらの値を検出する手段により燃料電池システムが複雑化してしまうという問題点がある。
【００１６】
本発明の目的は、簡易な構成で、燃料電池の電解質膜の乾燥状態を適切に判断する燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明に係る燃料電池システムの制御装置は、燃料ガスの燃料電池スタック内における圧力損失を測定する測定手段と、この測定手段により測定された燃料ガスの圧力損失の低下が検出された場合に燃料電池スタック内の電解質膜が乾燥していると判断する判断手段とを備える。
【００１８】
燃料電池スタック内のガス流路に含まれる又は付着する水分量が少なくなると、電解質膜が乾燥し始め（ドライアップが起こり始め）、セル抵抗が上がり始める。一方で、燃料電池スタック内のガス流路に含まれる又は付着する水分量が少なくなると、燃料電池スタック内のガス流路における燃料ガスへの抵抗が少なくなるため、燃料ガスの燃料電池スタック内の圧力損失が低下する。
【００１９】
これにより、本発明では、この燃料ガスの圧力損失の低下を検出することにより、電解質膜の乾燥状態を判断する。
【００２０】
従って、本発明によれば、電解質膜が乾燥し切ってしまう前に早期に電解質膜の乾燥状態を検出することができる。
【００２１】
更に、本発明によれば、燃料ガスの圧力損失の低下により電解質膜の乾燥状態が判断されるため、燃料電池スタックの電流密度が高い場合でセル内での単位面積当たりの生成水の量が多くなる場合であっても適切に電解質膜の乾燥状態を検出することができる。このような効果を奏するにあたり、本発明によれば上記測定手段と上記判断手段といった簡易な構成で実現することができる。
【００２２】
本発明において好ましくは、燃料電池スタックの運転温度を測定する温度測定手段を更に備え、上記判断手段が、上記温度測定手段により測定された燃料電池スタックの運転温度が所定の閾値温度より高い場合でかつ燃料ガスの圧力損失の低下が検出された場合に、燃料電池スタック内の電解質膜が乾燥していると判断するように構成する。
【００２３】
これによれば、電解質膜の乾燥状態を検出するにあたり、燃料ガスの圧力損失の低下と共に燃料電池スタックの運転温度が所定の閾値温度より高いか否かが考慮される。
【００２４】
従って、本発明によれば、燃料電池スタックの運転温度が高く電解質膜が乾燥し易い状況か否かの判断が加わることにより電解質膜の乾燥状態をより正確に判断することができる。
【００２５】
このような構成において更に好ましくは、上記温度測定手段が、燃料電池スタックから送出された冷却水の温度を燃料電池スタックの運転温度として測定するように構成する。
【００２６】
本発明において好ましくは、燃料電池スタックから送出される燃料ガスの経路上に設けられ燃料ガスの圧力を調整することにより、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの流量が略一定となるように調整する圧力調整弁を更に備えるように構成する。
【００２７】
本発明によれば、上記圧力調整弁により燃料電池スタックに供給される燃料ガスの流量が略一定となるように調整されるため、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの流量の変化に伴う燃料ガスの圧力損失の変化を防ぐことができる。よって、燃料電池スタック内の電解質膜の乾燥に伴う燃料ガスの圧力損失の変化を確実に検出することができる。
【００２８】
本発明は、本発明により制御される燃料電池スタックが多孔質体のガス流路を有する場合により効果的である。多孔質体流路を有する燃料電池スタックでは、セル内の水分がこの多孔質体流路に留まり易いためこの多孔質体流路に含まれる水分により電解質膜の乾燥が検出し難い。
【００２９】
しかしながら、上述のように多孔質体流路に含まれる水分に応じて変化する燃料ガスの圧力損失を電化質膜の乾燥状態の判断要素とする本発明によれば、このような多孔質体のガス流路を有する燃料電池スタックにおいてより確実に電解質膜の乾燥状態を判断することができる。
【００３０】
本発明において好ましくは、上記判断手段により燃料電池スタック内の電解質膜が乾燥していると判断された場合に燃料電池スタックの運転温度を下げるよう制御する制御手段を更に備えるように構成する。
【００３１】
これにより、早期に電解質膜の乾燥状態が判断されそれを解消するように燃料電池スタックに対して制御がなされるため、電解質膜の乾燥を未然に防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、簡易な構成で、燃料電池の電解質膜の乾燥状態を適切に判断する燃料電池システムの制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
［実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における燃料電池システムについて説明する。なお、以下に述べる実施形態の構成は例示であり、本発明は以下の実施形態の構成に限定されない。
【００３４】
〔システム構成〕
本発明の実施形態における燃料電池システムの構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態としての燃料電池システムの構成例を示す図である。本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池スタック１０、エアコンプレッサ１１、加湿モジュール１２、圧力調整弁１５及び２４、燃料ガス供給装置２１、流量調整弁２２、気液分離器２６、燃料ガス循環ポンプ２８、冷却器２９、圧力センサ３１及び３３、温度センサ３５、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２０等を備える。
【００３５】
エアコンプレッサ１１は、例えばエアフィルタ等を介して大気から取り込まれる空気を酸化剤ガスとして所定量分圧縮し、配管４１へ送り出す。なお、本発明は、エアコンプレッサ１１から送り出される酸化剤ガスは、このような圧縮空気に限定されるものではない。この配管４１へ送り出された酸化剤ガスは、加湿モジュール１２で加湿され、酸化剤ガス供給用の配管４３を通り燃料電池スタック１０へ供給される。
【００３６】
燃料ガス供給装置２１は、燃料ガスとして例えば水素ガス又は水素混合ガスを供給する。燃料ガス供給装置２１から供給される燃料ガスは、流量調整弁２２により流量制御され、配管５１へ送り出される。
【００３７】
流量調整弁２２は、燃料ガス供給装置２１から供給される燃料ガスを燃料電池スタック１０の要求発電量等に応じて所定流量分送り出す。流量調整弁２２を通過した燃料ガスは、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口に繋がる燃料ガス供給用の配管５１を通り、燃料電池スタック１０へ供給される。
【００３８】
燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面をガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成されるセルが複数積層されることにより構成されている。燃料電池スタック１０は、各セルにおいてこのように供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行う。ここで発電に供されなかった燃料ガス（以降、アノードオフガスと表記する）はアノードオフガス出口から、発電に供されなかった酸化剤ガス（以降、カソードオフガスと表記する）はカソードオフガス出口からそれぞれ排出される。
【００３９】
圧力調整弁１５は、燃料電池スタック１０のカソードオフガス出口に繋がる配管４４と加湿モジュール１２へと繋がる配管４６との間に配置され、配管４４及び４３内並びに燃料電池スタック１０内に存在する酸化剤ガス及びカソードオフガスの気圧を調整する。圧力調整弁１５を通過したカソードオフガスは、配管４６へ送り出される。
【００４０】
加湿モジュール１２は、エアコンプレッサ１１から供給される酸化剤ガスを配管４１から取り込み、圧力調整弁１５を通過したカソードオフガスを配管４６から取り込み、それらを混合させる。混合されたガスは、カソードオフガスに含まれる水分等により加湿され
た状態となり、燃料電池スタック１０へ供給される。圧力調整弁１５を通過したカソードオフガスの一部は、配管４８により排気経路（図示せず）へ送り出される。
【００４１】
このように、エアコンプレッサ１１から送り出される酸化剤ガスは、加湿モジュール１２で加湿された後、燃料電池スタック１０内の各セルのカソードへそれぞれ供給される。このような構成により、各セルの電解質膜がそれぞれ湿潤に保たれる。
【００４２】
圧力調整弁２４は、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口に繋がる配管５２と気液分離器２６へと繋がる配管５３との間に配置される。後述するように、本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０内の各セルを通過する際の燃料ガスの圧力損失が検出される。圧力調整弁２４は、燃料ガスの圧力損失を正確に検出するために、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口のアノードオフガス圧力が一定となるように調整する。これは、アノードオフガスの圧力が変化すると燃料電池スタック１０へ供給される燃料ガスの流量が変化し、この流量の変化に伴う燃料ガスの圧力損失の変化を防ぐためである。圧力調整弁２４を通過したアノードオフガスは、配管５３へ送り出される。
【００４３】
気液分離器２６は、圧力調整弁２４を通過し配管５３を通るアノードオフガスから液層成分を除去する。気液分離器２６は、例えば、機器内に取り込まれたアノードオフガスに含まれる水蒸気を壁面等で凝縮させることにより気液分離する。液層成分の除去されたアノードオフガスは、配管５５を通り燃料ガス循環ポンプ２８方向へ送り出される。
【００４４】
燃料ガス循環ポンプ２８は、回転駆動用のモータ等を備え、配管５５を通るアノードオフガスを燃料電池スタック１０へ再供給するために、当該アノードオフガスを配管５７へ送り出す。配管５７を通るアノードオフガスは、燃料ガス供給装置２１から供給される燃料ガスと配管５１により混合され、燃料電池スタック１０へ再供給される。
【００４５】
このように、本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０から発電に供されず送出されたアノードオフガスが再び燃料電池スタック１０へ供給されるアノードオフガス循環経路が形成されている。しかしながら、本発明は、このようなアノードオフガス循環経路を持つ燃料電池システムに限定されるものではなく、当該燃料電池システムは、アノードオフガス循環経路を持たないよう構成されてもよい。
【００４６】
本実施形態における燃料電池システムでは、更に、配管５１の燃料電池スタック１０の燃料ガス入口近傍に圧力センサ３１が設置され、配管５２の燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口近傍に圧力センサ３３が設置される。圧力センサ３１は燃料電池スタック１０へ供給される燃料ガスの圧力を検出し、圧力センサ３３は燃料電池スタック１０から送出されるアノードオフガスの圧力を検出する。圧力センサ３１及び３３により検出された燃料ガスの圧力及びアノードオフガスの圧力はＥＣＵ２０へ送られる。
【００４７】
なお、本発明は、燃料電池スタック１０の各セルにそれぞれ供給される前の燃料ガスの圧力と各セルを通過したアノードオフガスの圧力との差を測定することができれば、圧力センサ３１及び３３の設置位置や圧力検出原理等を限定するものではない。従って、圧力センサ３１及び３３は、燃料電池スタック１０内の各セルに燃料ガスを供給する供給路及び各セルを通過したアノードオフガスが流れる排出路に設けられるようにしてもよい。更に、１つの差圧センサを用いて当該圧力差（圧力損失）を測定するようにしてもよい。
【００４８】
更に、燃料電池スタック１０には当該燃料電池を適温で動作させるために冷却水が供給される。燃料電池スタック１０内では、この冷却水が例えばセル間に設けられる冷却板を通過する際にセルの発する熱を奪い、最終的に冷却水出口から出る。冷却水出口から出た
冷却水は、冷却水出口に繋がる配管６１を通り、冷却器２９に送られる。
【００４９】
冷却器２９は、燃料電池スタック１０の各セルから熱を奪うことで加熱された冷却水を配管６１から取り込み、取り込まれた冷却水を冷却する。冷却器２９は、内部に備えられる冷却ファン等から送られる送風により配管６１から取り込まれた冷却水を冷却し、冷却された冷却水を配管６２に送り出す。配管６２へ送り出された冷却水は、燃料電池スタック１０へ供給される。
【００５０】
このように、本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池スタック１０内の各セルの熱を奪い加熱された冷却水が冷却器２９により冷却され、再度燃料電池スタック１０へ供給されるという冷却水循環系を持つ。
【００５１】
本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０から送出された冷却水の温度を計測するために、配管６１の燃料電池スタック１０の出口付近に温度センサ３５が配置される。温度センサ３５は、燃料電池スタック１０の各セルから熱を奪うことで加熱され燃料電池スタック１０から出された冷却水の温度を検出する。検出された冷却水の温度はＥＣＵ２０へ送られる。
【００５２】
なお、本発明は、燃料電池スタック１０の各セルの発する熱が反映された冷却水の温度を測定することができれば、この温度センサ３５の設置位置や温度検出原理等を限定するものではない。従って、温度センサ３５は、燃料電池スタック１０内の各セルを通過した冷却水が流れる排出路に設けられるようにしてもよい。更に言えば、本発明は、燃料電池スタック１０の運転温度を測定することができれば、冷却水の温度でなくてもよく、燃料電池スタック１０内の温度や燃料電池スタック１０自体の所定箇所の温度が測定されるようにしてもよい。
【００５３】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェース等
により構成されており、ＣＰＵがメモリに格納された制御プログラムを実行することによって、燃料電池スタック１０内の湿度制御を行う。ＥＣＵ２０は、本発明に係る制御装置に相当する。ＥＣＵ２０は、湿度制御を行うにあたり、圧力センサ３１及び３３により検出された燃料ガスの圧力及びアノードオフガスの圧力、温度センサ３５により検出された冷却水の温度に基づいて、各セルの電解質膜の乾燥状態を把握する。このＥＣＵ２０による電解質膜の乾燥状態の判断手法については後述する。
【００５４】
ＥＣＵ２０は、判断されたセルの電解質膜の乾燥状態に応じて所定の湿度制御を行う。ＥＣＵ２０は、この湿度制御として、例えば燃料電池スタック１０の運転温度を下げるような制御を実行する。なお、ＥＣＵ２０により実行される湿度制御は、加湿モジュール１２による加湿量を制御するものであってもよいし、酸化剤ガスの供給量を制御するものであってもよいし、冷却水の供給量を制御するものであってもよい。本発明は、ＥＣＵ２０による湿度制御の内容を限定するものではない。
【００５５】
〔乾燥状態判断手法〕
以下、本発明の実施形態における燃料電池システムによる、電解質膜の乾燥状態判断手法について図２を用いて説明する。図２は、燃料電池スタック１０内のセルの特性を示すグラフである。図２には、特性値として、電流密度、セル電圧、セル抵抗、冷却水温度、酸化剤ガスの圧力損失として空気圧損及び燃料ガスの圧力損失として水素圧損が運転経過時間と共にそれぞれ示されている。
【００５６】
図２によれば、線（１）で示される１５００秒経過時点において、セル抵抗が低くセル電圧が高い状態が示されている。これは、セルの電解質膜が湿潤に保たれプロトンの移動
が正常に確保されている状態を示している。一方で、線（３）で示される３２００秒を超えた時点においては、セル抵抗が極端に上昇しセル電圧が極端に下降し冷却水温度が高温の状態が示されている。これは、セルの電解質膜が乾燥しプロトンの移動が正常に確保されていない状態を示している。
【００５７】
ここで、線（２）で示される２５００秒経過前付近に着目すると、セル抵抗が上昇し始めセル電圧が下降し始めており、更に冷却水温度も８０度と高温となっていることが分かる。これは、この時点においてセルの電解質膜が乾燥し始めていることを示すものである。
【００５８】
本実施形態における燃料電池システムでは、この時点をセルの電解質膜の乾燥状態として検出することにより、電解質膜が乾燥し始める段階で前もって上述の湿度制御を予め実行する。
【００５９】
更に着目すべきは、この線（２）で示される付近の電解質膜が乾燥し始める時点において、水素圧損が低下し始めていることである。これにより、水素圧損が低下し始めた時点をセルの電解質膜の乾燥状態として検出すれば、セル抵抗が上昇し始めた時点及びセル電圧が下降し始めている時点を検出するのと同様の効果を得ることができる。
【００６０】
この手法は、燃料電池スタック１０内の各セルのセパレータに設けられたガス供給路が金属の多孔質体流路として形成される場合により有効である。図３Ａは、図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ図２のグラフの線（１）、２及び３の時点における多孔質体流路の含水状態の概念を示す図である。
【００６１】
図３Ａは、図２に示されるグラフの線（１）の時点における多孔質体流路の含水状態を示している。図３Ａに示すように、図２の線（１）で示される時点では、多孔質体流路の中で、各セルの化学反応により生成された水などが表面張力、毛管吸引力等により図上方に吸い上げられ形成される水通路とそれ以外の箇所に燃料ガスが流れるよう形成されるガス通路とが形成される。更に図３Ａに示される状態では、多孔質体流路の中で水通路の占める割合が高いことから多孔質体流路の含水量が多く、この水分がバッファ的に用いられることによりセルの電解質膜も湿潤に保たれる。
【００６２】
図３Ｂは、図２に示されるグラフの線（２）の時点における多孔質体流路の含水状態を示している。図３Ｂによれば、図３Ａの状態よりも多孔質体流路の中での水通路の占める割合が低いことから、多孔質体流路の含水量が図３Ａの状態よりも少ないことが示されている。
【００６３】
図３Ｃは、図２に示されるグラフの線（３）の時点における多孔質体流路の含水状態を示している。図３Ｃによれば、多孔質体流路の中での水通路の占める割合が極僅か若しくは水通路が形成されていない状態が示されている。
【００６４】
セパレータに設けられたガス供給路が多孔質体流路として形成されている場合には、一般的に溝流路と較べ当該多孔質体流路に水が含まれ易い。一方で、多孔質体流路の含水量が多い程、燃料ガスが流れ難くなり、多孔質体流路の含水量が少ない程、燃料ガスが流れ易くなる。すなわち、ガス供給路が多孔質体流路として形成されている場合には、多孔質体流路の含水量に応じた燃料ガスの圧力損失の変化がより顕著に現れる。多孔質体流路の含水量が多ければ、電解質膜も湿潤に保たれる可能性が高いため、ガス供給路が多孔質体流路として形成されている場合には、燃料ガスの圧力損失の低下を検出することにより確実に電解質膜が乾燥し始めたことを検出することができるようになる。
【００６５】
本実施形態における燃料電池システムのＥＣＵ２０は、圧力センサ３１により検出された燃料ガスの圧力と圧力センサ３３により検出されたアノードオフガスの圧力との差から燃料ガスの圧力損失を算出し、この圧力損失が低下し始める時点を検出する。ＥＣＵ２０は、燃料ガスの圧力損失が低下し始めたことを検出すると、それによりセルの電解質膜が乾燥し始めたと判断し、上述の所定の湿度制御の実行を開始する。
【００６６】
ＥＣＵ２０は、圧力損失が低下し始める時点を検出する際に、圧力センサ３１及び３３から逐次出力を得て、所定時間間隔（例えば１０秒）で圧力センサ３１から出力される圧力と圧力センサ３３から出力される圧力との圧力損失を算出し、この算出された圧力損失値を保持する。続いて、ＥＣＵ２０は、保持された所定時間間隔の圧力損失値のうち所定数の圧力損失値（例えば現在の算出値から１０個分の圧力損失値）を参照することにより圧力損失の継続低下を検出する。その他の方法として、圧力損失の算出が逐次実行されるようにし、その算出された複数の圧力損失値を所定の時間間隔でサンプリングした値を用いて圧力損失の継続低下を検出するようにしてもよい。なお、本発明は、ＥＣＵ２０による圧力損失の継続低下の検出方法を限定するものではなく、何らかの方法により検出されるようにすればよい。
【００６７】
ＥＣＵ２０は、このような圧力損失の継続低下のうちセルの電解質膜の乾燥に伴うもののみを確実に検出するために、更に、温度センサ３５により検出された冷却水の温度を参照する。具体的には、ＥＣＵ２０は、冷却水の温度が所定の閾値温度（例えば８０度）を超えており、かつ、上述のような圧力損失の継続低下を検出すると、セルの電解質膜が乾燥し始めていると判断する。燃料ガスの圧力損失が継続して低下していたとしても冷却水の温度が低いすなわちセルの発熱が少ない場合には電解質膜が乾燥し難いと判断できるからである。この閾値温度は、メモリ等に予め調整可能に保持されるようにしてもよい。
【００６８】
〔動作例〕
以下、本実施形態における燃料電池システムの動作例について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態における燃料電池システムの湿度制御に伴う動作例を示すフローチャートである。
【００６９】
本実施形態における燃料電池システムは、ＥＣＵ２０による湿度制御が実行される際には以下のように動作している。すなわち、燃料ガス供給装置２１から供給される燃料ガスが流量調整弁２２により流量調整され、配管５１を通り、燃料電池スタック１０内へ送り込まれる。
【００７０】
圧力センサ３１は、この燃料電池スタック１０内へ送り込まれる燃料ガスの圧力を検出し、検出結果をＥＣＵ２０へ送る。
【００７１】
一方、燃料電池スタック１０内の各セルでは、このように供給された燃料ガスと、加湿モジュール１２により加湿された状態で配管４３から燃料電池スタック１０内へ送り込まれる酸化剤ガスとが、電解質膜を介してそれぞれ反応し発電が行われている。そこで発電に供されなかった燃料ガスは、アノードオフガスとして燃料電池スタック１０から排出される。
【００７２】
圧力センサ３３は、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスの圧力を検出し、検出結果をＥＣＵ２０へ送る。
【００７３】
各セルでは発電に伴い発熱が起こる。この発熱によりセルが高温となりセルの電解質膜が乾燥するのを防ぐために、燃料電池スタック１０内には冷却器２９により冷却された冷却水が送り込まれている。冷却水は、燃料電池スタック１０内の各セルにより発せられた
熱を奪い、燃料電池スタック１０から排出されている。
【００７４】
温度センサ３５は、この燃料電池スタック１０内から送出された冷却水の温度を検出し、検出結果をＥＣＵ２０へ送る。
【００７５】
ＥＣＵ２０は、圧力センサ３１及び３３からの出力信号、並びに温度センサ３５からの出力信号を取得する。ＥＣＵ２０は、圧力センサ３１及び３３からの出力信号としての燃料ガスの圧力とアノードオフガスの圧力とに基づいて燃料ガスの圧力損失を算出する（Ｓ４０１）。算出された圧力損失値はメモリ等に保持される。
【００７６】
ＥＣＵ２０は、算出された最新の圧力損失値と保持されている所定数の圧力損失値とを参照することにより、燃料ガスの圧力損失が継続して低下しているか否かを判断する（Ｓ４０２）。ＥＣＵ２０は、燃料ガスの圧力損失が継続して低下していると判断すると（Ｓ４０２；ＹＥＳ）、その時点での温度センサ３５からの出力信号としての冷却水の温度が所定の閾値温度を超えているか否かを更に判断する（Ｓ４０３）。
【００７７】
ＥＣＵ２０は、燃料ガスの圧力損失が継続して低下していると判断し（Ｓ４０２；ＹＥＳ）、更にその時点での冷却水の温度が所定の閾値温度を超えていると判断すると（Ｓ４０３；ＹＥＳ）、燃料電池スタック１０内の各セルの電解質膜のいずれかが乾燥状態となっていると判断する（Ｓ４０４）。ＥＣＵ２０は、電解質膜のいずれかが乾燥状態となっていると判断すると、所定の湿度制御を実行する（Ｓ４０６）。例えば、ＥＣＵ２０は、燃料電池スタック１０の運転温度が下がるように制御する。
【００７８】
一方、ＥＣＵ２０は、燃料ガスの圧力損失が継続して低下していないと判断する（Ｓ４０２；ＮＯ）、或いは冷却水の温度が所定の閾値温度を超えていないと判断すると（Ｓ４０３；ＮＯ）、燃料電池スタック１０内の各セルの電解質膜のいずれも未だ乾燥状態となっていないと判断する（Ｓ４０５）。
【００７９】
ＥＣＵ２０は、このような動作を繰返し実行する。
【００８０】
〈実施形態の作用及び効果〉
以下、上述した本実施形態としての燃料電池システムの作用及び効果について述べる。
【００８１】
本実施形態としての燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０の燃料ガス入口付近に設置された圧力センサ３１により燃料電池スタック１０へ供給される前の燃料ガスの圧力が検出され、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口付近に設置された圧力センサ３３により燃料電池スタック１０から送出されたアノードオフガスの圧力が検出される。これら圧力センサ３１及び３３により検出された燃料ガス及びアノードオフガスの圧力に基づいて、燃料電池スタック１０を通過する際の燃料ガスの圧力損失が算出される。
【００８２】
本実施形態としての燃料電池システムは、算出された燃料電池スタック１０を通過する際の燃料ガスの圧力損失が継続して低下していることを検出することにより、燃料電池スタック１０内の各セルの電解質膜のうち乾燥し始めた電解質膜が存在するものと判断する。
【００８３】
これにより、燃料電池スタック１０内の各セルの電解質膜が完全に乾燥する前に燃料電池スタック１０への湿度制御を実行することが可能となり、各セルの電解質膜の乾燥を未然に防ぐことができる。燃料電池スタック１０内の各セルのセパレータに設けられたガス供給路が多孔質体流路として形成されている場合には、多孔質体流路に含有される水分に応じて燃料ガスの圧力損失の変化が明確となるため、このような効果はより顕著となる。
【００８４】
また、本実施形態としての燃料電池システムでは、この燃料ガスの圧力損失を算出するにあたり、圧力調整弁２４により、燃料電池スタック１０を通過する前後の燃料ガス及びアノードオフガスの圧力が一定となるように調整される。
【００８５】
これにより、燃料電池スタック１０を通過する際の燃料ガスの圧力損失のみを検出することができる。
【００８６】
また、本実施形態としての燃料電池システムでは、温度センサ３５により、各セルを冷却するために燃料電池スタック１０へ供給される冷却水の燃料電池スタック１０から送出された際の温度が検出される。この検出された冷却水の温度が所定の閾値温度を越えている場合に、燃料ガスの圧力損失が継続して低下している原因が電解質膜の乾燥状態に関連するものと判断される。
【００８７】
これにより、燃料電池スタック１０内の各セルの電解質膜のうち乾燥し始めた電解質膜が存在するか否かが適切に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施形態としての燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】燃料電池スタック１０内のセルの特性を示すグラフである。
【図３Ａ】図２のグラフの線（１）の時点における多孔質体流路の含水状態の概念を示す図である。
【図３Ｂ】図２のグラフの線（２）の時点における多孔質体流路の含水状態の概念を示す図である。
【図３Ｃ】図２のグラフの線（３）の時点における多孔質体流路の含水状態の概念を示す図である。
【図４】本実施形態における燃料電池システムの湿度制御に伴う動作例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１０  燃料電池スタック
１２  加湿モジュール
１５、２４  圧力調整弁
２０  ＥＣＵ（Electric Control Unit）
２１  燃料ガス供給装置
２２  流量調整弁
２６  気液分離器
２８  燃料ガス循環ポンプ
２９  冷却器
３１、３３  圧力センサ
３５  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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