(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、信頼性、動力性能を向上させた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１で消費されなかった燃料ガスを燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系と、燃料ガス循環系に設置され、燃料電池スタック１の下流側で気水を分離する気水分離器１４と、気水分離器１４の水位を測定する水位計と、を備え、コントローラ（制御手段）３０により、水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。例えば水位変化率があるしきい値未満である時は、乾燥状態であると判断し、運転温度を低下させるか、運転圧力を上昇させるか、取り出し負荷電流を低下させるか、或いは酸化剤ガス供給流量を低減させる。【選択図】図１
2008004431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを前記燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系と、
前記燃料ガス循環系に設置され、前記燃料電池の下流側で気水を分離する気水分離器と、
前記気水分離器に設置され、該気水分離器の水位を測定する水位計と、
前記水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記水位変化率が第１の閾値未満であれば乾燥状態であると判断し、前記水位変化率が前記第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値以上であれば過湿潤状態であ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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記水位変化率が第１の閾値以上でかつ該第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値未満となるよう当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池の運転温度を制御する温度制御手段と、前記燃料電池への酸化剤ガス供給流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、前記燃料電池における前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの運転圧力を制御する運転圧力制御手段と、前記燃料電池からの取り出し負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、を有し、
前記水位変化率が前記第１の閾値未満のときには、前記温度制御手段により運転温度を低下させるか、前記酸化剤ガス流量制御手段により酸化剤ガス供給流量を低減させるか、前記運転圧力制御手段により運転圧力を上昇させるか、或いは、前記負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を低減させることを特徴とする請求項２または請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記燃料電池の運転温度を制御する温度制御手段と、前記燃料電池における前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの運転圧力を制御する運転圧力制御手段と、前記燃料電池からの取り出し負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、を有し、
前記水位変化率が前記第２の閾値以上のときには、前記温度制御手段により運転温度を上昇させるか、前記酸化剤ガス流量制御手段により酸化剤ガス供給流量を増加させるか、前記運転圧力制御手段により運転圧力を低下させるか、或いは、前記負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を増加させることを特徴とする請求項２または請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池への酸化剤ガス供給流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、前記燃料電池への燃料ガス供給流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、を有し、
前記水位変化率が前記第２の閾値以上であって、前記温度制御手段により運転温度を上昇させるとき、前記酸化剤ガス流量制御手段により酸化剤ガス供給流量を低減させるか、前記燃料ガス流量制御手段により燃料ガス供給流量を低減させるか、或いは、前記運転圧力制御手段により運転圧力を低減させる制御を同時に行う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】
前記水位変化率の第１の閾値および第２の閾値は、前記取り出し負荷電流毎に設定され、該取り出し負荷電流が低いほど小さい値に設定されることを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池に冷却液を循環供給する冷却液循環系を有し、
前記温度制御手段は、運転温度を低下させるときには前記冷却液循環系における前記燃料電池の冷却液出口温度を低下させ、運転温度を上昇させるときには前記冷却液循環系における前記燃料電池の冷却液出口温度を上昇させることを特徴とする請求項４〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水位変化率の第２の閾値は、前記燃料電池から排出される燃料ガスの露点検出結果に基づき燃料ガス循環系における燃料電池出口相対湿度を演算し、該燃料電池出口相対湿度が所定値となるときの水位変化率に設定されることを特徴とする請求項２，請求項３，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料ガス循環系における燃料電池出口相対湿度の所定値は、前記燃料電池の運転温度または前記酸化剤ガス供給流量を増加させたとき、一定時間以上ドライアウトせずに安定した発電が可能であることが確認された値であることを特徴とする請求項９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】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に判断して、固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、常に固体高分子電解質膜を適度に湿潤させておくことにより信頼性、動力性能を向上させた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、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子電解質膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子電解質膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このような燃料電池システムを自動車用動力源として利用する場合、燃料電池システムの容積低減のため、加湿系の簡略化が行われているが、高温では加湿不足が発生するため、固い高分子膜の湿潤度を適度に保つことが困難になる。湿潤度を保てなくなると、固体高分子電解質膜が乾燥して、最悪の場合、膜の穴明きに繋がるという問題がある。
【０００５】
例えば、高速登坂走行時には、定格出力付近にて連続定常運転をすることになるが、この時、ラヂエタ−の放熱性能を高めるため、燃料電池システムの運転温度を上昇させることが好ましい。しかしながら、燃料電池システムの運転温度を高めると、上述のように、固体高分子電解質膜が乾燥し、膜の穴空きに到ることがある。これを防止するためには、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に把握し、固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、常に固体高分子電解質膜を適度に湿潤させておくことが必要となる。
【０００６】
固体高分子電解質膜の湿潤状態を知るための方法としては、従来から種々の手法が提案されている。例えば、特開２００４−２４１２３６号公報に開示の「燃料電池の運転状態判定装置及びその方法」では、インピーダンス測定装置を燃料電池システムに備え、インピーダンスの値がある適正インピーダンスから外れればドライアップと判定する方法が提案されている。
【０００７】
また、特開２００４−１２７８０９号公報に開示の「燃料電池スタック」では、多数のセルを積層して固定するための締結ボルトの軸力を計測する装置を備え、固体電解質膜の湿潤度を計測する方法が提案されている。
【０００８】
さらに、特開２００５−２２８６８８号公報に開示の「固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置」では、セル電圧の経時変化から乾燥または湿潤状態を検知する方法として、燃料電池システム運転中に、燃料電池内部の水分量、湿潤度を変化させるように因子を振り、セル電圧が因子を振る前に対してどのように変化するかをモニターしながら、燃料電池内部の乾燥、湿潤判定を行うという方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２４１２３６号公報
【特許文献２】特開２００４−１２７８０９号公報
【特許文献３】特開２００５−２２８６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、燃料電池システムにインピーダンス計測装置をつける必要があり、非体積出力密度の低下、また、コスト増となってしまう。
【００１０】
また、特許文献２に開示された技術においては、軸力を計測するための計測系を燃料電池システムに追加する必要があり、コスト増となってしまう。
【００１１】
さらに、特許文献３に開示された技術においては、燃料電池システムが乾燥限界付近で運転している場合、水分が低下する方向に因子を振った場合に、一気に乾燥限界を超えて転極膜破れに到る可能性があるため、乾燥限界付近でこの手法を利用するのは困難である。また、利用するとしても、最小セル電圧のしきい値を比較的高めに保持しておく必要があり、実際の運用では適用範囲が狭くなってしまう。
【００１２】
またさらに、特許文献３においては、負荷電流を増やして、増加前後のセル電圧の変化から増加前の固体高分子膜湿潤状態を予測する方法も示されているが、定格最大電流では、これ以上の電流を取り出すことができないため、高速登坂のような高負荷連続運転時には適用することができないという事情があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、計測装置を追加して具備する必要性を無くし、燃料電池システムが乾燥限界付近で運転している場合でも、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に判断して、固体高分子電解質膜の湿潤状態に応じて燃料電池システムの運転状態を変化させ、常に固体高分子電解質膜を適度に湿潤させておくことにより信頼性、動力性能を向上させた燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを前記燃料ガス供給系に循環させる燃料ガス循環系と、前記燃料ガス循環系に設置され、前記燃料電池の下流側で気水を分離する気水分離器と、前記気水分離器に設置され、該気水分離器の水位を測定する水位計と、前記水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる制御手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池内部の固体高分子電解質膜の湿潤度合いを、燃料ガス循環系に備えられた気水分離器を利用して判断することができ、例えば水位変化率があるしきい値未満である時は、乾燥状態であると判断し、運転温度を低下させるか、運転圧力を上昇させるか、取り出し負荷電流を低下させるか、或いは酸化剤ガス供給流量を低減させることにより、固体高分子電解質膜が乾燥して膜破れに到ることを防ぐことができる。また、水位変化率があるしきい値以上である時は、過湿潤状態であると判断し、運転温度を上昇させるか、運転圧力を低下させるか、或いは取り出し負荷電流を増加させることにより、燃料極側のガス拡散層または触媒層での水詰まりを防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１７】
図１は本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１８】
また、燃料電池スタック１に水素（燃料ガス）を供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）として、水素供給装置１１および調圧装置１２を備え、また、燃料電池スタック１で消費されなかった水素を循環させる水素循環系（燃料ガス循環系）に水素循環装置１３を備え、燃料電池スタック１に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）として、空気供給装置１６、調圧装置１７および水蒸気交換装置１８を備えている。
【００１９】
なお、水素循環系（燃料ガス循環系）には、燃料電池スタック１の下流側で気水を分離する気水分離器１４が設置され、該気水分離器１４には、水位を測定する水位計が設置されている。
【００２０】
また、燃料電池スタック１を冷却する冷却系２１を備えており、該冷却系２１には、ラジエータ等の冷却手段や、燃料電池スタック１に冷却液を循環供給する冷却液循環系が含まれる。また、負荷系として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を備えた構成である。これら冷却系２１および負荷系については、特徴的な構成はなく周知の構成を適用すればよい。
【００２１】
さらに制御手段として、水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ３０を備えた構成である。
【００２２】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００２３】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００２４】
燃料電池スタック１には、水素流路に水素を供給するための水素供給管と水素流路からアノードオフガスを排出するためのオフガス排気管が接続されている。水素供給管の上流側には水素供給装置１１が接続され、水素供給装置１１と燃料電池スタック１との間には調圧装置１２が配置されている。水素供給装置１１から供給される水素は調圧装置１２で減圧され、所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック１に供給される。水素供給装置１０としては、ガソリン等の炭化水素系原料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器を用いてもよく、また水素を圧縮して貯蔵した高圧水素タンクを用いてもよい。
【００２５】
燃料電池スタック１で消費されなかった水素は酸化剤極側から透過してきた窒素等の不純物とともにアノードオフガスとして水素流路からオフガス排気管に排気される。オフガス排気管には気水分離器１４を介してオフガス循環管が接続され、該オフガス循環管は水素供給管における調圧装置１２の下流側にエジェクタ等を介して接続されている。また、オフガス循環管にはアノードオフガスを水素流路から引き出して水素供給管に送り出す水素循環装置１３が設けられている。
【００２６】
なお、固体高分子型燃料電池の燃料ガス循環系では、燃料ガス循環系内に循環する水の量が次第に増加し、燃料電池スタック１の出口に排出された水が水素循環装置１３の水素循環ブロアに進入して、該水素循環ブロアの回転数が下がるのを防止するため、また、水素循環ブロアを通った水が、再度燃料電池スタック１に進入し、水素流路またはガス拡散層での水詰まりが生じるのを防ぐため、気水分離器１４を備えている。
【００２７】
また、燃料電池スタック１には空気流路に空気を供給するための空気供給管と空気流路からカソードオフガスを排出するためのオフガス排気管が接続されている。空気供給管にはエアコンプレッサ等の空気供給装置１６が配置されており、空気供給装置１６の作動によって外部から空気供給管に空気が取り込まれて燃料電池スタック１の空気流路に供給される。オフガス排気管は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整するための調圧装置１７が設けられている。
【００２８】
オフガス排気管の調圧装置１７よりも上流側と空気供給管の空気供給装置１６よりも下流側とは水蒸気交換装置１８によって接続されている。カソードオフガスに含まれる水分の一部は水蒸気交換装置１８により回収され、空気流路に供給される空気に付与される。
【００２９】
また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却系２１が設けられている。固体高分子型燃料電池は、適正な作動温度が比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却系２１の構成は特に限定しないが、例えば、冷媒を循環させる冷却液循環流路および冷却液ポンプ等を有し、冷却液循環流路中にはラジエータ等の冷却液を温度調整する手段が設けられている。
【００３０】
また、燃料電池スタック１の冷却液入口および冷却液出口には、それぞれ温度センサが設置されている。燃料電池スタック１に入る前の冷却液温度、並びに、燃料電池スタック１から出た直後の冷却液温度が温度センサにより検出され、これら検出値はコントローラ３０に送られて、燃料電池スタック１の冷却制御に用いられる。
【００３１】
コントローラ３０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インタフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系および負荷系の各構成要素に対して各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００３２】
また、コントローラ（制御手段）３０は、構成要素として、燃料電池スタック１の運転温度を制御する温度制御手段と、燃料電池スタック１への空気（酸化剤ガス）供給流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、燃料電池スタック１への水素（燃料ガス）供給流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、燃料電池スタック１における水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の運転圧力を制御する運転圧力制御手段と、燃料電池スタック１からの取り出し負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、を有するが、これらの各手段はＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。
【００３３】
燃料電池システム運転時には、水素循環系（燃料ガス循環系）の気水分離器１４の水位は、運転条件に基づいたある傾きを持って変化している。例えば、取り出し負荷電流が大きい時は、生成水量が多く、酸化剤極（カソード）から燃料極（アノード）への逆拡散水量も多いため、気水分離器１４に収集される液水量は増加して水位変化の傾きが大きくなる。一方、低負荷運転が継続される時には、特にアイドル運転では生成水量が少なくなり、酸化剤極（カソード）から燃料極（アノード）への逆拡散量が減少するため、気水分離器の水位変化は殆どなくなってしまう。
【００３４】
本発明は、この点に着目して、気水分離器１４に設置された水位計により気水分離器１４の水位を測定し、コントローラ（制御手段）３０において、該水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。
【００３５】
具体的には、水位変化率が第１の閾値未満であれば乾燥状態であると判断し、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度を低下させるか、酸化剤ガス流量制御手段により空気供給装置１６の供給流量制御を行って酸化剤ガス供給流量を低減させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を上昇させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を低減させる。
【００３６】
また、水位変化率が第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値以上であれば過湿潤状態であると判断し、温度制御手段により冷却系２１による制御を行って運転温度を上昇させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を低下させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を増加させる。
【００３７】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、当該燃料電池システムを燃料電池車両の駆動動力源として用いた場合を例にして、図２〜図４を参照しながら簡単に説明する。ここで、図２は実施例の燃料電池システムにおける運転制御を説明するフローチャートであり、図３は高速登坂時における気水分離器１４の水位及び水位変化率、運転温度並びに酸化剤ガス流量の推移を例示するタイムチャートであり、図４は水位変化率の閾値の設定を説明する説明図である。
【００３８】
図２に示すフローチャートにおいて、まず、コントローラ（制御手段）３０は、気水分離器１４に設置された水位計からの検知信号を受け取って、気水分離器１４の水位変化を計測し（ステップＳ１０１）、気水分離器１４の水位変化率を演算する（ステップＳ１０２）。
【００３９】
次に、求められた水位変化率が第１の閾値未満か否かを判断する（ステップＳ１０３）。水位変化率が第１の閾値未満であればステップＳ１０４に進み、水位変化率が第１の閾値以上であればステップＳ１０６に進む。
【００４０】
水位変化率が第１の閾値未満であれば、乾燥状態であると判断し（ステップＳ１０４）、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度を低下させるか、酸化剤ガス流量制御手段により空気供給装置１６の供給流量制御を行って酸化剤ガス供給流量を低減させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を上昇させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を低減させ（ステップＳ１０５）、当該処理フローを終了する。
【００４１】
また、水位変化率が第１の閾値以上であれば、水位変化率が第２の閾値以上か否かを判断する（ステップＳ１０６）。水位変化率が第２の閾値以上であればステップＳ１０７に進み、水位変化率が第２の閾値未満であれば、水位変化率は第１の閾値以上でかつ第２の閾値未満にあり、燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる必要無しとして、当該処理フローを終了する。
【００４２】
また、水位変化率が第２の閾値以上であれば、過湿潤状態であると判断し（ステップＳ１０７）、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度を上昇させるか、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を低下させるか、或いは、負荷電流制御手段によりＤＣ／ＤＣコンバータ２６による電流制御を行って取り出し負荷電流を増加させ（ステップＳ１０８）、当該処理フローを終了する。
【００４３】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作制御の具体例として、高速登坂時における定常運転を例に、図３のタイムチャートを参照しながら説明する。なお、本発明は、高速登坂時に限られるものでは無く、中負荷連続定常運転等、他の運転状態においても適用可能である。
【００４４】
図３（ａ）には気水分離器１４の水位の時間的推移を、図３（ｂ）には水位変化率の時間的推移をそれぞれ示す。高速登坂時のような高負荷定常運転を行っている場合には、取り出し負荷電流が大きいために生成水量が多く、また酸化剤極（カソード）から燃料極（アノード）への逆拡散水量も多いため、図中の時刻Ｔ１以前の時間帯に示すように、気水分離器１４に収集される液水量は増加して水位変化の傾きは相対的に大きい。ただし、この時間帯では水位変化率はほぼ一定で、固体高分子電解質膜は適度な湿潤状態にある。
【００４５】
その後、燃料電池スタック１の冷却液出口温度が上昇してくる（図３（ｃ）参照）と、図中の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の時間帯に示すように、水位変化の傾きはだんだんと小さくなり、水位変化率は漸減し、固体高分子電解質膜は乾燥気味の状態となってくる。
【００４６】
時刻Ｔ２で水位変化率が第１のしきい値未満となったとき、本具体例では、温度制御手段により冷却系２１による冷却制御を行って運転温度（燃料電池スタック１の冷却液出口温度）を低下させる（図３（ｃ）参照）と共に、酸化剤ガス流量制御手段により空気供給装置１６の供給流量制御を行って酸化剤ガス供給流量を低減させている（図３（ｄ）参照）。
【００４７】
これにより、図中の時刻Ｔ２以降の時間帯に示すように、水位変化の傾きはだんだんと大きくなり、水位変化率は漸増し、固体高分子電解質膜は湿潤状態へ次第に戻り、燃料電池システムを安定的に運転することができるようになる。
【００４８】
なお、本具体例では、運転温度を低下させると同時に、酸化剤ガス流量を低減した場合を例示したが、運転圧力制御手段により調圧装置１２，１７の圧力制御を行って運転圧力を上昇させる制御を加えても良い。
【００４９】
また、水位変化率に基づく乾燥状態または過湿潤状態の判断に加えて、燃料電池スタック１のセル電圧の低下を電圧検出手段等によって同時にモニターするようにしてもよい。これにより、より正確に固体高分子電解質膜の乾燥状態または過湿潤状態を把握できるようになり、信頼性を向上させることができる。
【００５０】
次に、図４の説明図を参照しながら水位変化率の閾値の設定について説明する。図４は、燃料電池スタック１の運転状態を、実験的に水持ち出し量が増える方向に緩やかに変化させたときの各種パラメータの時間的推移を示しており、図４（ａ）は気水分離器１４の水位を、図４（ｂ）は燃料電池スタック１のセル電圧と燃料ガス循環系における燃料電池スタック１の出口相対湿度をそれぞれ示す。
【００５１】
燃料電池スタック１の運転状態を、実験的に水持ち出し量が増える方向に緩やかに変化させると、気水分離器１４の水位変化の傾きはだんだんと小さくなり、（水位変化率は漸減し、）固体高分子電解質膜は乾燥気味の状態となって、燃料ガス循環系燃料電池積層体出口相対湿度が低下していく。また同時に、燃料電池スタック１のセル電圧も低下していく。そして、燃料ガス循環系燃料電池積層体出口相対湿度がある値未満となると、固体高分子電解質膜の乾燥により燃料電池スタック１の安定した発電継続が不可能となる。
【００５２】
したがって、この安定発電継続が不可能となる時の気水分離器１４の水位変化率に、ある安全率をかけた値を第１の閾値とすることにより、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に判断することができる。ここで、安全率は、例えば１．０５または１．１０とするのが望ましい。
【００５３】
また、水位変化率の第２の閾値については、燃料電池スタック１から排出される水素（燃料ガス）の露点検出結果に基づき燃料ガス系における燃料電池スタック１の出口相対湿度を演算し、該燃料電池出口相対湿度が所定値となるときの水位変化率に設定する。ここで、燃料ガス循環系における燃料電池スタック１の出口相対湿度の所定値は、燃料電池スタック１の運転温度または酸化剤ガス供給流量を増加させたとき、一定時間以上ドライアウトせずに安定した発電が可能であることが確認された値とする。
【００５４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の供給により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素（燃料ガス）を供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池に空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）と、燃料電池スタック１で消費されなかった水素（燃料ガス）を水素供給系（燃料ガス供給手段）に循環させる水素循環系（燃料ガス循環系）と、水素循環系（燃料ガス循環系）に設置され、燃料電池スタック１の下流側で気水を分離する気水分離器１４と、気水分離器１４に設置され、該気水分離器１４の水位を測定する水位計と、を備えた燃料電池システムにおいて、コントローラ（制御手段）３０により、水位計の測定結果に基づき水位変化率を演算し、該水位変化率に応じて当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。
【００５５】
具体的には、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第１の閾値未満であれば乾燥状態であると判断し、また、水位変化率が第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値以上であれば過湿潤状態であると判断する。
【００５６】
また、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第１の閾値以上でかつ該第１の閾値より大きい値に設定された第２の閾値未満となるよう当該燃料電池システムの運転方法および運転状態を変化させる。
【００５７】
また、コントローラ（制御手段）３０に、燃料電池スタック１の運転温度を制御する温度制御手段と、燃料電池スタック１への空気（酸化剤ガス）供給流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、燃料電池スタック１における水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の運転圧力を制御する運転圧力制御手段と、燃料電池スタック１からの取り出し負荷電流を制御する負荷電流制御手段と、を備え、水位変化率が第１の閾値未満のときには、温度制御手段により運転温度を低下させるか、酸化剤ガス流量制御手段により空気（酸化剤ガス）供給流量を低減させるか、運転圧力制御手段により運転圧力を上昇させるか、或いは、負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を低減させる。
【００５８】
またさらに、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第２の閾値以上のときには、温度制御手段により運転温度を上昇させるか、運転圧力制御手段により運転圧力を低下させるか、或いは、負荷電流制御手段により取り出し負荷電流を増加させる。
【００５９】
このように、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の湿潤度合いを、水素供給系（燃料ガス供給手段）に備えられた気水分離器１４を利用して判断し、例えば水位変化率があるしきい値未満である時は乾燥状態であると判断して、運転温度を低下させるか、運転圧力を上昇させるか、取り出し負荷電流を低下させるか、或いは酸化剤ガス供給流量を低減させることにより、固体高分子電解質膜が乾燥して膜破れに到ることを防ぐことができる。
【００６０】
また、水位変化率があるしきい値以上である時は過湿潤状態であると判断して、運転温度を上昇させるか、運転圧力を低下させるか、或いは取り出し負荷電流を増加させることにより、燃料極側のガス拡散層または触媒層での水詰まりを防ぐことが可能となる。また、空気極から燃料極に移動する水分の量が減少するので、燃料ガス循環系の気水分離器の容積を低減することが可能となる。
【００６１】
また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）３０により、水位変化率が第２の閾値以上であって、温度制御手段により運転温度を上昇させるときには、酸化剤ガス流量制御手段により空気（酸化剤ガス）供給流量を低減させるか、燃料ガス流量制御手段により水素（燃料ガス）供給流量を低減させるか、或いは、運転圧力制御手段により運転圧力を低下させる制御を同時に行う。
【００６２】
高負荷で高温の運転時には、燃料電池スタック１の出口から水蒸気として持ち出される水分量と、液水として持ち出される水分量の比が変化し、液水として持ち出される水分量が減少するため、水詰まりの発生確率が低下する。その際には、空気（酸化剤ガス）流量および水素（燃料ガス）流量を共に減らすことができ、これにより、燃料電池システムのネット効率を格段に向上させることができる。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第１の閾値および第２の閾値は、取り出し負荷電流毎に設定され、該取り出し負荷電流が低いほど小さい値に設定されるのが望ましい。これにより、高負荷時には、水位変化率の閾値を大きくし、低負荷時には水位変化率の閾値を低減させることとなり、運転時の取り出し負荷電流に応じて的確に燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の湿潤状態を知ることができる。
【００６４】
ことを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【００６５】
また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）３０の温度制御手段により運転温度を低下させるときには、冷却液循環系における燃料電池スタック１の冷却液出口温度を低下させる。このように、冷却液出口温度を下げることにより、燃料電池スタック１出口での気水持ち出し量を減らすことができ、適確に燃料電池スタック１の湿潤状態を制御することができる。
【００６６】
また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）３０の温度制御手段により運転温度を上昇させるときには、冷却液循環系における燃料電池スタック１の冷却液出口温度を上昇させる。このように、冷却液出口温度を上げることにより、燃料電池スタック１出口での水蒸気持ち出し量を増やすことができ、適確に燃料電池スタック１の湿潤状態を制御することができる。
【００６７】
また、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第１の閾値は、燃料電池スタック１の運転状態を水持ち出し量が増える方向に緩やかに変化させたときに、燃料ガス循環系における燃料電池スタック１の出口相対湿度がある値未満となるときの水位変化率に設定される。
【００６８】
燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の湿潤状態は、燃料極側の相対湿度で予測することができるが、このように相対湿度の値によって水位変化率の第１の閾値を設定するため、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の乾燥限界を精度よく把握することが可能となる。
【００６９】
また、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第２の閾値は、燃料電池スタック１から排出される水素（燃料ガス）の露点検出結果に基づき水素循環系（燃料ガス循環系）における燃料電池出口相対湿度を演算し、該燃料電池出口相対湿度が所定値となるときの水位変化率に設定される。
【００７０】
これにより、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜が水分過多になることをより的確に把握することが可能となり、燃料電池スタック１内部の固体高分子電解質膜の水詰まりをより的確に把握することが可能となる。
【００７１】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、水位変化率の第２の閾値の設定において、燃料ガス循環系における燃料電池出口相対湿度の所定値は、燃料電池スタック１の運転温度または空気（酸化剤ガス）供給流量を増加させたとき、一定時間以上ドライアウトせずに安定した発電が可能であることが確認された値とする。
【００７２】
これにより、燃料電池スタック１の燃料極出口の相対湿度の所定値を、燃料電池スタック１を構成する固体高分子電解質膜の仕様毎に変化させることができることとなり、燃料電池システム毎に、的確に燃料極出口の相対湿度下限値を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システムにおける運転制御を説明するフローチャートである。
【図３】高速登坂時における気水分離器１４の水位及び水位変化率、運転温度並びに酸化剤ガス流量の推移を例示するタイムチャートである。
【図４】水位変化率の閾値の設定を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    燃料電池スタック
１１  水素供給装置
１２  調圧装置
１３  水素循環装置
１４  気水分離器
１６  空気供給装置
１７  調圧装置
１８  水蒸気交換装置
２１  冷却系
２６  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０  コントローラ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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