(57)【要約】【課題】燃料電池の湿潤状態を精度よく推定する。【解決手段】システム起動時に、燃料電池の酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出し、この検出した排出量に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する。【選択図】図１
2008066114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する燃料電池と、
前記酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出する排出量検出手段と、
システム起動時に、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を推定する推定手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
システムの運転履歴に基づいて、システム起動時に、前記酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を算出する排出量算出手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量と、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量とを比較し、当該比較結果に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記推定手段は、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上多い場合には、前記燃料電池が水分過多状態であると推定し、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上少ない場合には、前記燃料電池が乾燥状態であると推定することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の酸化剤極における温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出される温度に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記流量検出手段によって検出される燃料ガスの流量に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の酸化剤極における酸素濃度に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の酸化剤極における温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記温度検出手段によって検出される温度、前記流量検出手段によって検出される燃料ガスの流量、および、前記燃料電池の酸化剤極における酸素濃度のいずれか２つ以上に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池から出力を取り出す出力取出手段と、
前記推定手段によって推定された前記燃料電池の湿潤状態に基づいて、前記出力取出手段を制御する制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記推定手段によって推定された前記燃料電池の湿潤状態に基づいて、前記燃料電池への酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量を制御することを特徴する請求項８に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が水分過多状態であると推定された場合には、前記出力取出手段によって前記燃料電池から出力を取り出すことを特徴とする請求項８または９に記載された燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、前記出力取出手段によって、前記燃料電池から上限制限付きで出力を取り出すことを特徴とする請求項８または９に記載された燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの供給量を減少させることを特徴とする請求項９に記載された燃料電池システム。
【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、燃料電池の湿潤状態を判定する手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池は、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（ＭＥＡ：membrane-electrode assembly）をセパレータで挟持して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、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。したがって、このような燃料電池では、電解質膜の湿潤状態が発電性能を左右するため、その湿潤状態を判定することが重要となる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）を閾値と比較することにより、燃料電池の湿潤状態が水分過多状態であるかそれとも乾燥状態であるのかを判定する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−３２５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、電圧が安定するまでに時間を要すること、また、温度条件、圧力条件によって開回路電圧が変化するため、湿潤状態の判定を精度よく行うことが困難となるといった問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の湿潤状態を精度よく推定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、排出量検出手段と、推定手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する。排出量検出手段は、酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出する。推定手段は、システム起動時に、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、二酸化炭素の排出量は、燃料電池内の水の量と相関があるため、二酸化炭素の排出量を検出することにより、燃料電池の湿潤状態を精度よく推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セルにおいて、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素（具体的には、酸素を含んだ空気）を用いるケースについて説明する。
【０００９】
燃料極    ：  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                         （１）
酸化剤極  ：  ２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ        （２）
具体的には、個々の発電セルでは、（１），（２）に示すように、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る。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通り、酸化剤極側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及び電子が反応して水が生成される。
【００１０】
この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する車両用駆動モータ等の電源として、車両（燃料電池車両）に搭載される。
【００１１】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０とが備えられている。
【００１２】
水素系１０において、燃料ガスである水素は、水素供給部１１から水素供給流路１０ａを介して燃料電池スタック１の燃料極に供給される。この水素供給流路１０ａには、水素流量制御弁１２が設けられている。水素流量制御弁１２は、燃料電池スタック１に供給される水素流量が所望の値となるように、後述する制御部３０によってその開度が制御される。一方、燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素排出流路１０ｂへと排出される。
【００１３】
空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、空気供給部２１から空気供給流路２０ａを介して燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される。この空気供給流路２０ａには、水素流量制御弁２２が設けられている。空気流量制御弁２２は、燃料電池スタック１に供給される空気流量が所望の値となるように、制御部３０によってその開度が制御される。一方、燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された排出ガス）は、空気排出流路２０ｂへと排出される。
【００１４】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出部２が接続されている。出力取出部２は、制御部３０によって制御され、要求出力に応じて、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電力）を取り出して、この取り出した出力を車両用駆動モータ（図示せず）、二次電池（図示せず）、または、燃料電池システムを動作させる種々の補機へと供給する。
【００１５】
制御部３０は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の発電動作を制御する。制御部３０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。本実施形態において、制御部３０は、システム起動時の処理（起動処理）として、燃料電池スタック、具体的には、固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定する。そして、この推定結果に応じて、水分過多状態を抑制するように、或いは、乾燥状態を抑制するような回復制御を行う。
【００１６】
燃料極    ：  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                         （３）
：  ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ                （４）
酸化剤極  ：  Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−          （５）
：  ４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ                （６）
ここで、燃料電池スタック１が停止状態にあり、水素供給流路に空気が存在している状態においてシステムを起動する場合、燃料極において（３），（４）に示す反応が起こり、酸化剤極において（５），（６）に示す反応が起こる。これは、酸化剤極において固体高分子電解質膜の触媒層に含まれる担持カーボンと水が反応するためであり、これにより、酸化剤極側から二酸化炭素が排出される。この場合、二酸化炭素の排出量は、水が多い程多くなるため、二酸化炭素の排出量を検出することにより、燃料電池スタック１の湿潤状態を推定することができる。
【００１７】
制御部３０には、燃料電池スタック１の運転状態を検出するために各種の検出手段３１〜３７からの検出信号が入力されている。出口ガス分析部３１は、空気排出流路２０ｂに設けられており、酸化剤極から排出される二酸化炭素量（ＣＯ２量）を測定する。燃料極入口側電圧計３２は、燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルにおいて、水素の入口側（供給側）に存在する燃料電池セルの発電電圧（以下「入口側電圧」という）を検出する。燃料極出口側電圧計３３は、燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルにおいて、水素の出口側（排出側）に存在する燃料電池セルの発電電圧（以下「出口側電圧」という）を検出する。水素供給流量検出部３４は、水素供給流路１０ａに設けられており、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の流量を検出する。スタック温度検出部３５は、燃料電池スタック１の温度を検出する。空気排出流量検出部３６は、空気排出流路２０ｂに設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極から排出されるガスの流量を検出する。排出ガス温度検出部３７は、空気排出流路２０ｂに設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極から排出されるガスの温度を検出する。
【００１８】
図２は、制御部３０の構成を示すブロック図である。制御部３０は、これを機能的に捉えた場合、排出量検出部３０ａと、排出量算出部３０ｂと、運転時間記憶部３０ｃと、補正部３０ｄと、推定部３０ｅと、システム制御部３０ｆとを有する。
【００１９】
排出量検出部３０ａは、出口ガス分析部３１によって測定されるＣＯ２量の測定値に基づいて、燃料電池スタック１の酸化剤極から実際に排出されるＣＯ２の排出量を検出する。排出量算出部３０ｂは、運転時間記憶部３０ｃに記憶されている運転時間を参照し、燃料電池スタック１の酸化剤極から排出されるＣＯ２の排出量を算出する。運転時間記憶部３０ｃは、燃料電池スタック１の過去の運転履歴である運転時間が記憶される。補正部３０ｄは、排出量算出部３０ｂによって算出されたＣＯ２排出量の算出値を、燃料電池スタック１の温度、水素供給流量および燃料極の酸素濃度（Ｏ２濃度）に基づいて補正する。推定部３０ｅは、排出量検出部３０ａによって検出されたＣＯ２排出量の検出値と、ＣＯ２排出量の算出値とを比較することにより、水分過多状態或いは乾燥状態といった燃料電池スタック１の湿潤状態を推定する。システム制御部３０ｆは、推定部３０ｅの推定結果に基づいて、必要に応じて、出力取出部２または空気供給流量調整弁２２を制御することにより、湿潤状態を回復させる回復制御を行う。
【００２０】
図３は、本実施形態にかかる起動処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システムの起動時、例えば、燃料電池自動車であればイグニッションスイッチのオン信号をトリガーとして、制御部３０によって実行される。
【００２１】
まず、ステップ１（Ｓ１）において、ＣＯ２排出量が算出される。このステップ１では、運転時間に基づいて、ＣＯ２排出量の算出が行われる。ＣＯ２の排出量は、触媒層の担持カーボン、すなわち、電解質膜の劣化度合いに依存するため、燃料電池スタック１の総稼動時間、アイドル運転時間、負荷運転時間、負荷応答回数、起動停止回数、凍結回数といったパラメータを要素とする運転時間と相関がある。この運転時間は、個々のパラメータの値が長く、或いは、大きくなる程、その値が大きくなる。
【００２２】
図４は、運転時間とＣＯ２排出量との対応関係を示す説明図である。同図から分かるように、ＣＯ２排出量は、運転時間が大きくなる程、その値が減少する傾向を示す。そこで、実験やシミュレーションを通じて、運転時間とＣＯ２排出量との対応関係を取得し、例えば、両者の対応関係を計算式として制御部３０に格納しておく（数式１参照）。
【００２３】
（数式１）
Ｘ＝ｆ（Ｔａ）
ここで、ＸはＣＯ２排出量であり、Ｔａは現在の起動時までの運転時間であり、ｆは運転時間ＴａとＣＯ２排出量Ｘとの対応関係を規定する関数である。また、運転時間記憶部３０ｃには、運転時間の要素となる各パラメータがシステムを運転する度に記憶される。そのため、運転時間記憶部３０ｃを参照し、運手時間Ｔａを特定することにより、ＣＯ２排出量Ｘは一義的に算出される。
【００２４】
ステップ２（Ｓ２）において、ＣＯ２排出量Ｘの補正処理が行われる。ステップ１では、運転時間からＣＯ２排出量を算出したが、この値は、燃料電池スタック１の温度、燃料電池スタック１の燃料極の酸素濃度（Ｏ２濃度）の影響を受ける値であるため、これらの値を考慮して、補正を行う。
【００２５】
（１）燃料電池スタック１の温度
図５は、燃料電池スタック１の温度と補正係数との対応関係を示す説明図である。ＣＯ２排出量は、燃料電池スタック１の温度が高い程、その値が大きくなるという傾向がある。そこで、実験やシミュレーションを通じて、ある基準温度からの温度差に対応付けて、ＣＯ２排出量（算出値）を補正する補正係数を取得する。そして、例えば、基準温度からの温度差と、補正係数との対応関係を規定する計算式を制御部３０に格納しておく（数式２参照）。
【００２６】
（数式２）
Ａ＝ｇ（Ｔｂ）＝ｇ（Ｔａ−Ｔｐ）
ここで、Ａは温度補正係数であり、Ｔｂは基準温度との温度差である。また、Ｔａは燃料電池スタック１の温度であり、Ｔｐは基準温度である。そして、ｇは、基準温度Ｔｐからの温度差Ｔｂと、温度補正係数Ａとの対応関係を規定する関数である。そのため、この温度補正係数Ａは、スタック温度検出部３５によって検出される燃料電池スタック１の温度Ｔａから一義的に算出することができる。なお、この「Ｔａ」には、スタック温度検出部３５による検出値を用いるのみならず、例えば、排出ガス温度検出部３７による検出値を用いてもよい。
【００２７】
（数式３）
Ｘ１＝Ａ×Ｘ＝ｆ（Ｔａ）×ｇ（Ｔｂ）
すなわち、温度補正が行われたＣＯ２排出量Ｘ１は、数式３で表すことができる。
【００２８】
（２）水素供給流量
図６は、水素供給流量と補正係数との対応関係を示す説明図である。ＣＯ２排出量は、起動時の水素供給流量の大きさに依存する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、種々の水素供給流量に対応付けて、ＣＯ２排出量（算出値）を補正する補正係数を取得する。そして、例えば、水素供給流量と、補正係数との対応関係を規定する計算式を制御部３０に格納しておく（数式４参照）。
【００２９】
（数式４）
Ｂ＝ｈ（Ｆｒ）
ここで、Ｂは流量補正係数であり、Ｆｒは水素供給流量である。また、ｈは、水素供給流量Ｆｒと、流量補正係数Ｂとの対応関係を規定する関数である。そのため、流量補正係数Ｂは、水素供給流量検出部３４によって検出される水素供給流量Ｆｒから一義的に算出することができる。
【００３０】
（数式５）
Ｘ２＝Ｂ×Ａ×Ｘ＝ｈ（Ｆｒ）×ｆ（Ｔａ）×ｇ（Ｔｂ）
すなわち、温度補正に加え、流量補正が行われたＣＯ２排出量Ｘ２は、数式５で表すことができる。
【００３１】
（３）燃料極におけるＯ２濃度
図７は、起動までの経過時間とＯ２濃度との対応関係を示す説明図である。燃料極におけるＯ２濃度は、酸化剤極からの酸素が透過するため、前回の停止から今回の起動までの経過時間が長くなる程、その値が大きくなる傾向を示す。そこで、実験やシミュレーションを通じて、経過時間に応じたＯ２濃度の推移を取得する。そして、例えば、経過時間とＯ２濃度との対応関係を規定する計算式を制御部３０に格納しておく（数式６参照）。
【００３２】
（数式６）
Ｃ＝ｉ（Ｔｃ）
ここで、ＣはＯ２濃度であり、Ｔｃは経過時間である。また、ｉは、経過時間ＴｃとＯ２濃度Ｃとの対応関係を規定する関数である。また、運転時間記憶部３０ｃには、前回の停止時間がさらに記憶される。そのため、このＯ２濃度Ｃは、運転時間記憶部３０ｃを参照し、経過時間Ｔを特定することにより、一義的に算出することができる。
【００３３】
図８は、Ｏ２濃度と補正係数との対応関係を示す説明図である。ＣＯ２排出量は、燃料極のＯ２濃度に依存する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、種々のＯ２濃度に対応付けて、ＣＯ２排出量（算出値）を補正する補正係数を取得する。そして、例えば、Ｏ２濃度と、補正係数との対応関係を規定する計算式を制御部３０に格納しておく（数式７参照）。
【００３４】
（数式７）
Ｄ＝ｊ（Ｃ）
ここで、ＤはＯ２濃度補正係数であり、ｊはＯ２濃度とＯ２濃度補正係数Ｄとの対応関係を規定する関数である。そのため、このＯ２濃度補正係数Dは、先に算出されたＯ２濃度Ｃから一義的に算出することができる。
【００３５】
（数式８）
Ｘ３＝Ｄ×Ｂ×Ａ×Ｘ＝ｊ（Ｃ）×ｈ（Ｆｒ）×ｆ（Ｔａ）×ｇ（Ｔｂ）
すなわち、温度補正および流量補正に加え、Ｏ２濃度補正が行われたＣＯ２排出量Ｘ３は、数式８で表すことができる。
【００３６】
ステップ３（Ｓ３）において、水素および酸素の供給が行われる。そして、ステップ４（Ｓ４）において、出口ガス分析部３１によって測定されるＣＯ２量（ＣＯ２測定値）を読み込む。
【００３７】
ステップ５（Ｓ５）において、ＣＯ２測定を終了するか否かが判定される。図９は、燃料電池セルの電圧の推移を示す説明図である。起動時に燃料極に水素が供給され、水素が燃料極の入口側に到達すると、燃料極入口側電圧計３２によって検出される入口側電圧（すなわち、入口側に存在する燃料電池セルの発電電圧）は、経時的に増加して、開放端電圧（ＯＣＶ）へと収束する傾向を示す。しかしながら、この場合、燃料極の出口側では、水素が到達していないため、燃料極出口側電圧計３３によって検出される出口側電圧（すなわち、出口側に存在する燃料電池セルの発電電圧）に変化はない。そして、水素が燃料極の出口側へと到達すると、燃料極出口側電圧計３３の出口側電圧も経時的に増加して、開放端電圧へと収束する傾向を示す。ここで、入口側電圧と出口側電圧が対応するまでに要する時間を「ｔ」とする。
【００３８】
図１０は、ガス供給が開始されてからの経過時間とＣＯ２測定値との関係を示す説明図である。同図から分かるように、ＣＯ２測定値は、経過時間の増加とともにピークを迎え、その後減少する傾向を示す。このような傾向は、燃料電池スタック１へ水素を供給した際に、水素が燃料極の入口側の燃料電池セルへと到達して、その後、個々の燃料電池セルへと供給され、最終的に燃料極の出口側の燃料電池セルへと到達することに起因する。そこで、ＣＯ２計測は、出口ガス分析部３１によってＣＯ２が計測されたタイミングより、入口側電圧と出口側電圧とが対応するのに要する時間ｔが経過したタイミングへ到達したことを条件として終了する。
【００３９】
ステップ５において否定判定された場合、すなわち、ＣＯ２測定を終了しない場合には、ステップ４に戻り、再度ＣＯ２計測値を読み込む。一方、ステップ５において肯定判定された場合、すなわち、ＣＯ２測定を終了する場合には、ステップ６（Ｓ６）に進む。
【００４０】
ステップ６において、ＣＯ２測定値に基づいて、ＣＯ２排出量が特定（検出）される。具体的には、ステップ４において時系列的に読み込まれたＣＯ２測定値の総和を算出することにより、実際に検出されたＣＯ２測定値ベースのＣＯ２排出量が算出される。
【００４１】
ステップ７（Ｓ７）において、湿潤状態が判定される。この湿潤判定では、理論的に算出されたＣＯ２排出量（具体的には、ステップ２において補正されたＣＯ２排出量Ｘ３）と、ＣＯ２測定値ベースのＣＯ２排出量（ステップ６において検出されたＣＯ２排出量）とを比較することにより、湿潤状態が推定される。理論的に算出されたＣＯ２排出量Ｘ３は、燃料電池スタック１の湿潤状態が正常状態であることを念頭に算出される値であるため、この値を基準として、実際のＣＯ２排出量がそれよりも多いのかそれとも少ないのかを判定することにより、燃料電池スタック１の湿潤状態を推定することができる。そこで、このステップ７では、ＣＯ２測定値ベースのＣＯ２排出量が、理論的に算出されたＣＯ２排出量よりも所定の閾値以上多い場合には、燃料電池スタック１の湿潤状態が水分過多であると推定する。一方、ＣＯ２測定値ベースのＣＯ２排出量が、理論的に算出されたＣＯ２排出量よりも所定の閾値以上少ない場合には、燃料電池スタック１の湿潤状態が乾燥状態であると推定する。
【００４２】
ステップ８（Ｓ８）において、ステップ７において推定された湿潤状態に基づいて、燃料電池システムの制御が行われる。具体的には、燃料電池スタック１の湿潤状態が、水分過多状態と推定されている場合には、出力取出部２によって燃料電池スタック１から出力の取り出しを開始する。これにより、燃料電池スタック１の発熱が促進されて、水分過多な状態が抑制される傾向となる。一方、燃料電池スタック１の湿潤状態が、乾燥状態と推定されている場合には、酸化剤極側に供給される空気の流量を通常制御時のそれよりも小さくした状態で、出力取出部２によって燃料電池スタック１から、上限出力を定めた上で出力の取り出しを開始する。これにより、燃料電池スタック１内において、発電反応にともなう水の生成が促進されるため、乾燥状態が抑制される傾向となる。この湿潤状態に応じたシステム制御は、例えば、予め設定された所定時間継続したり、また、水分過多な状態（或いは、乾燥状態）から正常な湿潤状態へと復帰したと認められる程度に燃料電池スタック１の発電電圧が回復するまで継続される。なお、燃料電池スタックの湿潤状態が正常状態、すなわち、水分過多状態でも乾燥状態でもない場合には、通常制御へと移行して、要求出力に応じた出力を燃料電池スタック１より取り出す。
【００４３】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池と、排出量検出手段と、推定手段とを有している。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生するものであり、燃料電池スタック１がこれに該当する。排出量検出手段は、酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出する機能を担っており、出口ガス分析部３１および排出量検出部３０ａがこれに該当する。推定手段は、システム起動時に、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する機能を担っており、推定部３０ｅがこれに該当する。
【００４４】
かかる構成によれば、酸化剤極において固体高分子電解質膜の触媒層に含まれる担持カーボンと水が反応するため、酸化剤極側から二酸化炭素が排出される。この場合、二酸化炭素の排出量は、燃料電池内の水の量と相関があるため、二酸化炭素の排出量を検出することにより、燃料電池の湿潤状態を精度よく推定することができる。
【００４５】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、排出量算出手段をさらに有している。ここで、排出量算出手段は、システムの運転履歴に基づいて、システム起動時に、酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を算出する機能を担っており、排出量算出部３０ｂがこれに該当する。この場合、推定手段は、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量と、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量とを比較し、この比較結果に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する。ここで、推定手段は、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上多い場合には、燃料電池が水分過多状態であると推定し、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上少ない場合には、燃料電池が乾燥状態であると推定する。
【００４６】
かかる構成によれば、理論的に算出された排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量は、燃料電池の湿潤状態が正常状態であることを念頭に算出される値であるため、この値を基準として、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量がそれよりも多いのかそれとも少ないのかを判定することにより、燃料電池の湿潤状態を推定することができる。
【００４７】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、温度検出手段と、補正手段とをさらに有している。ここで、温度検出手段は、燃料電池の酸化剤極における温度を検出する機能を担っており、スタック温度検出部３５および排出ガス温度検出部３７がこれに該当する。補正手段は、温度検出手段によって検出される温度に基づいて、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する機能を担っており、補正部３０ｄがこれに該当する。酸化剤極側からの二酸化炭素の排出量は、燃料電池の酸化剤極における温度と相関があるため、これを用いて補正を行うことにより、精度よく二酸化炭素の排出量を算出することができる。これにより、湿潤状態の判定を精度よく行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、流量検出手段をさらに有している。ここで、流量検出手段は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量を検出する機能を担っており、水素供給流量検出部３４がこれに該当する。この場合、補正手段は、流量検出手段によって検出される燃料ガスの流量に基づいて、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する。酸化剤極側からの二酸化炭素の排出量は、燃料極に供給される燃料ガスの流量と相関があるため、これを用いて補正を行うことにより、精度よく二酸化炭素の排出量を算出することができる。これにより、湿潤状態の判定を精度よく行うことができる。なお、補正手段は、燃料ガスの流量のみを用いて補正をおこなってもよいし、酸化剤極における温度と燃料ガスの流量との双方を用いて補正をおこなってもよい。
【００４９】
また、本実施形態において、補正手段は、燃料電池の酸化剤極における酸素濃度に基づいて、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正してもよい。酸化剤極側からの二酸化炭素の排出量は、酸化剤極における酸素濃度と相関があるため、これを用いて補正を行うことにより、精度よく二酸化炭素の排出量を算出することができる。これにより、湿潤状態の判定を精度よく行うことができる。なお、酸素濃度のみを用いて補正をおこなってもよいし、酸化剤極における温度、燃料ガスの流量および酸素濃度の二つ以上を組み合わせて補正をおこなってもよい。
【００５０】
さらに、本実施形態において、燃料電池システムは、出力取出手段と、制御手段とをさらに有していてもよい。ここで、出力取出手段は、燃料電池から出力を取り出す機能を担っており、出力取出部２がこれに該当する。制御手段は、推定手段によって推定された燃料電池の湿潤状態に基づいて、出力取出手段を制御する機能を担っており、システム制御部３０ｆがこれに該当する。かかる構成によれば、湿潤状態に基づいて、燃料電池から出力を取り出すことにより、水分過多または乾燥といった状態を回復させることができる。
【００５１】
また、本実施形態において、制御手段は、推定手段によって推定された燃料電池の湿潤状態に基づいて、燃料電池への酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量を制御してもよい。かかる構成によれば、湿潤状態に基づいて、ガスの供給量を制御することにより、水分過多または乾燥といった状態を回復させることができる。
【００５２】
例えば、制御手段は、推定手段によって燃料電池が水分過多状態であると推定された場合には、出力取出手段によって燃料電池から出力を取り出す。また、制御手段は、推定手段によって燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、出力取出手段によって、燃料電池から上限制限付きで出力を取り出す。また、制御手段は、推定手段によって燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの供給量を減少させる。かかる構成によれば、水分過多または乾燥といった状態を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】燃料電池システムを概略的に示す構成図
【図２】制御部３０の構成を示すブロック図
【図３】起動処理の手順を示すフローチャート
【図４】運転時間とＣＯ２排出量との対応関係を示す説明図
【図５】燃料電池スタック１の温度と補正係数との対応関係を示す説明図
【図６】水素供給流量と補正係数との対応関係を示す説明図
【図７】起動までの経過時間とＯ２濃度との対応関係を示す説明図
【図８】Ｏ２濃度と補正係数との対応関係を示す説明図
【図９】燃料電池セルの電圧の推移を示す説明図
【図１０】ガス供給が開始されてからの経過時間とＣＯ２測定値との関係を示す説明図
【符号の説明】
【００５４】
１      燃料電池スタック
２      出力取出部
１０    水素系
１０ａ  水素供給流路
１０ｂ  水素排出流路
１１    水素供給部
１２    水素流量制御弁
２０    空気系
２０ａ  空気供給流路
２０ｂ  空気排出流路
２１    空気供給部
２２    水素流量制御弁
２２    空気供給流量調整弁
２２    空気流量制御弁
３０    制御部
３０ａ  排出量検出部
３０ｂ  排出量算出部
３０ｃ  運転時間記憶部
３０ｄ  補正部
３０ｅ  推定部
３０ｆ  システム制御部
３１    出口ガス分析部
３２    燃料極入口側電圧計
３３    燃料極出口側電圧計
３４    水素供給流量検出部
３５    スタック温度検出部
３６    空気排出流量検出部
３７    排出ガス温度検出部
【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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【図１０】
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