(57)【要約】【課題】燃料電池の湿潤状態の制御を精度良く実行する。【解決手段】燃料電池システムは、複数の単セルを含む燃料電池と、第１の湿潤状態検出手段と、第２の湿潤状態検出手段と、比較手段と、制御手段と、を備える。第１の湿潤状態検出手段は、複数の単セルのうち、少なくとも１つの単セルを含む第１の単セル部の湿潤状態を検出する。第２の湿潤状態検出手段は、複数の単セルのうち、第１の単セル部と異なる少なくとも１つの単セルを含む第２の単セル部の湿潤状態を検出する。比較手段は、第１の単セル部と第２の単セル部の湿潤状態を比較する。制御手段は、比較の結果に基づいて、燃料電池の湿潤状態を制御する。【選択図】図４
2008021448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の単セルを含む燃料電池と、
前記複数の単セルのうち、少なくとも１つの単セルを含む第１の単セル部の湿潤状態を検出する第１の湿潤状態検出手段と、
前記複数の単セルのうち、前記第１の単セル部と異なる少なくとも１つの単セルを含む第２の単セル部の湿潤状態を検出する第２の湿潤状態検出手段と、
前記第１の単セル部と前記第２の単セル部の湿潤状態を比較する比較手段と、
前記比較の結果に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記燃料電池の前回の運転終了時における湿潤状態の前記比較の結果に基づいて、前記燃料電池の今回の運転開始時において、前記燃料電池の湿潤状態を制御する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の単セル部は、前記第２の単セル部より湿潤しやすい単セルである、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記複数の単セルは、スタック構造を有し、
前記第１の単セル部は、前記複数の単セルのうち、前記スタック構造の端部に位置する単セルを含む、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２の単セル部は、前記複数の単セルの全部である、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の湿潤状態検出手段は、前記第１の単セル部の抵抗を測定する手段であり、
前記第２の湿潤状態検出手段は、前記第２の単セル部の抵抗を測定する手段である、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記第２の単セル部が前記第１の単セル部より所定レベル以上乾燥している場合に、前記燃料電池を加湿する制御を行う加湿手段を含む、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムは、さらに、
前記燃料電池の運転終了時に、前記第１の単セル部の湿潤状態を基準に前記燃料電池を乾燥させる乾燥手段を備え、
前記加湿手段は、前記燃料電池の次回の運転開始時に前記第２の単セル部が前記第１の単セル部より所定レベル以上乾燥している場合に、前記燃料電池を加湿する制御を行う手段である、燃料電池システム。
【請求項９】
複数の単セルを含む燃料電池の制御方法であって、
前記複数の単セルのうち、少なくとも１つの単セルを含む第１の単セル部の湿潤状態を検出し、
前記複数の単セルのうち、前記第１の単セル部と異なる少なくとも１つの単セルを含む第２の単セル部の湿潤状態を検出し、
前記第１の単セル部と前記第２の単セル部の湿潤状態を比較し、
前記比較の結果に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を制御する制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関し、特に、燃料電池の湿潤状態の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、例えば、固体高分子膜を電解質膜として用いる場合、燃料電池を効率良く発電するために、燃料電池内部の湿潤状態を管理すること望ましい。例えば、固体高分子型の燃料電池の電解質膜は乾燥するとイオン透過性が悪化し、燃料電池の出力の低下をもたらす。一方、燃料電池内に過剰な水が存在すると、電極に水が結露して反応ガスの拡散を阻害し、燃料電池の出力の低下をもたらす。また、燃料電池が運転していないときに、燃料電池内に過剰な水が残存していると、低温時に燃料電池内が凍結し、次回の燃料電池の起動が阻害されるおそれがある。
【０００３】
このような燃料電池を扱う燃料システムにおいて、燃料電池の単セル内部の乾燥しやすい部位と、水分が過剰になりやすい部位を流れる電流を測定することにより、燃料電池の湿潤状態を診断する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１００９５２号公報
【特許文献２】特開２００４−１９９９８８号公報
【特許文献３】特開２００２−３６７６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記技術では、複数の単セルを含む燃料電池における単セル間の湿潤状態のバラツキについては考慮されていない。このため、燃料電池全体の湿潤状態の制御を精度良く実行できないおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の湿潤状態の制御の精度を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、複数の単セルを含む燃料電池と、第１の湿潤状態検出手段と、第２の湿潤状態検出手段と、比較手段と、制御手段と、を備える。前記第１の湿潤状態検出手段は、前記複数の単セルのうち、少なくとも１つの単セルを含む第１の単セル部の湿潤状態を検出する。前記第２の湿潤状態検出手段は、前記複数の単セルのうち、前記第１の単セル部と異なる少なくとも１つの単セルを含む第２の単セル部の湿潤状態を検出する。前記比較手段は、前記第１の単セル部と前記第２の単セル部の湿潤状態を比較する。前記制御手段は、前記比較の結果に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を制御する。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムによれば、前記複数の単セルのうちの第１の単セル部と第２の単セル部における湿潤状態を比較し、比較結果に基づいて燃料電池の湿潤状態を制御する。この結果、燃料電池全体の湿潤状態を精度良く制御することができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の前回の運転終了時における湿潤状態の前記比較の結果に基づいて、前記燃料電池の今回の運転開始時において、前記燃料電池の湿潤状態を制御しても良い。こうすれば、前回の運転終了時における湿潤状態の比較結果に基づいて、今回の運転開始時において、燃料電池の湿潤状態を制御するので、今回の運転開始時から速やかに燃料電池の湿潤状態を精度良く制御することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記第１の単セル部は、前記第２の単セル部より湿潤しやすい単セルであっても良い。こうすれば、湿潤の程度が異なる単セルを比較することにより、燃料電池の湿潤状態を精度良く、把握することができる。
【００１１】
本発明の第１の状態に係る燃料電池システムにおいて、前記複数の単セルは、スタック構造を有し、前記第１の単セル部は、前記複数の単セルのうち、前記スタック構造の端部に位置する単セルを含んでも良い。また、前記第２の単セル部は、前記複数の単セルの全部であっても良い。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記第１の湿潤状態検出手段は、前記第１の単セル部の抵抗を測定する手段であり、前記第２の湿潤状態検出手段は、前記第２の単セル部の抵抗を測定する手段であっても良い。こうすれば、抵抗を測定することにより、第１の単セル部および第２の単セル部の湿潤状態を検出することができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記第２の単セル部が前記第１の単セル部より所定レベル以上乾燥している場合に、前記燃料電池を加湿する制御を行う加湿手段を含んでも良い。こうすれば、第１の単セル部より乾燥しやすい第２の単セル部が過剰に乾燥することを防止し、燃料電池の出力の低下を防止することができる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池の運転終了時に、前記第１の単セル部の湿潤状態を基準に前記燃料電池を乾燥させる乾燥手段を備え、前記加湿手段は、前記燃料電池の次回の運転開始時に前記第２の単セル部が前記第１の単セル部より所定レベル以上乾燥している場合に、前記燃料電池を加湿する制御を行う手段であっても良い。こうすれば、運転終了時に、湿潤になりやすい第１の単セル部を基準に燃料電池を乾燥させることにより、燃料電池が停止中に凍結することを防止できると共に、運転開始時に、第１の単セル部より乾燥しやすい第２の単セル部が過剰に乾燥することを防止し、燃料電池の出力の低下を防止することができる。
【００１５】
本発明は、上記第１の態様以外の種々の態様で実現可能であり、例えば、複数の単セルを含む燃料電池の制御方法などの方法発明として実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【００１７】
Ａ．実施例：
・燃料電池システムの構成：
図１および図２を参照して、実施例に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施例に係る燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。図２は、燃料電池の概略構成を表す説明図である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、水素タンク２００と、エアコンプレッサ３００と、冷却媒体供給部５００を備えている。
【００１９】
燃料電池１００は、酸化ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素との供給を受け、これらのガスを利用した電気化学反応によって電力を生成する。図２に示すように、燃料電池１００は、単セル１０１と、セパレータ１０２とが交互に積層されたスタック構造を有している。単セル１０１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面に配置されたアノードと固体高分子電解質膜の他方の面に配置されたカソードとから構成される（図示省略）。セパレータ１０２は、積層された各単セル１０１を電気的に接続すると共に、各単セル１０１に供給される反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を単セル１０１ごとに分離する機能を有する。また、図２において図示を省略しているが、セパレータ１０２には、各単セル１０１に燃料ガスを分配する燃料ガス流路２５、酸化ガスを分配する酸化ガス流路３５が形成されると共に、内部に冷却媒体が流動するための冷却媒体流路５５が形成されている。
【００２０】
燃料電池１００において、スタック構造の両端には、それぞれ集電体１０３が配置されている。集電体１０３は、燃料電池１００の起電力を出力するための配線６１に接続されている。配線６１上には、燃料電池１００のスタックを流れる電流を測定するための電流センサ１１０が配置されている。さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００のスタック構造を構成する単セル１０１のうち、スタック構造の一方の端部に位置する一の単セル（以下、端部セルと呼ぶ。）１０１の電圧を測定するための第１の電圧センサ１２１が備えられている。また、燃料電池１００には、燃料電池１００のスタック構造を構成する単セル１０１全体の電圧を測定するための第２の電圧センサ１２２が備えられている。
【００２１】
図１に戻って説明を続ける。水素タンク２００は、燃料ガスとしての水素を貯蔵するタンクであり、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクである。水素タンク２００は、燃料ガス供給路２４を介して燃料電池１００の燃料ガス流路２５の一端と接続されている。燃料ガス供給路２４上には、圧力調整バルブ２２０と燃料ガス加湿器２１０が配置されている。燃料ガス加湿器２１０は、図示しない水タンクから汲み上げた水を気化させて燃料ガスに混合することにより、燃料ガスを加湿する。燃料ガス加湿器２１０は、後述する制御部４００の制御により加湿量を変更することができる。燃料ガス流路２５の他端は、燃料ガス排出路２６と接続されている。燃料ガス排出路上には、排出バルブ２４０が配置されている。燃料ガス排出路２６の排出バルブ２４０より上流側には、循環流路２８の一端が接続されている。循環流路２８の他端は、燃料ガス供給路２４の圧力調整バルブ２２０より下流側に接続されている。循環流路２８上には、燃料ガスポンプ２５０が配置されている。
【００２２】
水素タンク２００に貯蔵された水素ガスは、燃料ガス供給路２４に放出された後、圧力調整バルブ２２０によって所定の圧力に調整（減圧）され、燃料ガス加湿器２１０によって加湿された後、燃料ガスとして燃料電池１００の燃料ガス流路２５に供給される。燃料電池１００の燃料ガス流路２５の他端から排出される燃料ガスは、燃料ガスポンプ２５０によって燃料ガス排出路２６および循環流路２８を流動させられ、再び燃料ガス供給路２４に流入する。このように燃料電池から排出された燃料ガス中の残余の水素は、燃料ガス供給路２４の一部と燃料ガス流路２５と燃料ガス排出路２６の一部と循環流路２８とから成る経路を循環して、再度燃料電池１００に供給される。また、排出バルブ２４０を開状態とすることで、水分および不純物を含む燃料ガスの一部が、燃料ガス排出路２６から外部に排出される。
【００２３】
エアコンプレッサ３００は、酸化ガスとしての空気を大気中から取り込む。エアコンプレッサ３００は、酸化ガス供給路３４を介して燃料電池１００の酸化ガス流路３５の一端に接続されている。酸化ガス供給路３４上には、酸化ガス加湿器３１０が配置されている。酸化ガス加湿器３１０は、燃料ガス加湿器２１０と同様に、図示しない水タンクから汲み上げた水を気化させて酸化ガスに混合することにより、酸化ガスを加湿する。酸化ガス加湿器３１０は、燃料ガス加湿器２１０と同様に、後述する制御部４００の制御により加湿量を変更することができる。酸化ガス流路３５の他端には、酸化ガス排出路３６が接続されている。酸化ガス排出路３６には、圧力調整バルブ３２０が配置されている。
【００２４】
エアコンプレッサ３００は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路３４に供給する。酸化ガス供給路３４に供給された空気は、酸化ガス加湿器３１０により加湿され、酸化ガスとして燃料電池１００の酸化ガス流路３５の一端に供給される。酸化ガス流路３５の他端から排出された酸化ガスは、酸化ガス排出路３６を介して、大気中に放出される。酸化ガス排出路３６上の圧力調整バルブ３２０と開度と、エアコンプレッサ３００の出力を制御することによって、酸化ガス流路３５を流れる酸化ガスの圧力と流量が調整される。
【００２５】
燃料電池システム１０００は、さらに、冷却媒体供給部５００を備えている。冷却媒体供給部５００は、冷却媒体を燃料電池１００の冷却媒体流路５５に循環させるシステムであり、図示しない循環ポンプやラジエータを備えている。冷却媒体は、例えば、エチレングリコールなどの不凍水が用いられる。冷却媒体供給部５００は、冷却媒体流路５５の一端と、冷却媒体供給路５４を介して接続され、冷却媒体流路５５の他端と、冷却媒体排出路５６を介して接続されている。
【００２６】
燃料電池システム１０００は、さらに、上述した燃料電池１００の集電体１０３に接続された配線６１にそれぞれ並列に接続された負荷６１０と、コンバータ６３０とを備えている。負荷６１０は、燃料電池１００から出力される電力を消費する構成要素であり、例えば、燃料電池から出力される直流の三相交流に変換するインバータと、インバータから出力される三相交流により制御されるモータとから構成される。コンバータ６３０は、２次電池６２０と接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであり、配線６１の電圧を設定することにより、燃料電池１００の２つの集電体１０３間の電圧および電流を制御する。例えば、コンバータ６３０は、配線６１の電圧を所定の周期で変動させることにより、燃料電池１００の２つの集電体１０３間を流れる電流に所定の周波数の微少な交流成分を付与することができる。
【００２７】
燃料電池システム１０００は、さらに、制御部４００を備えている。この制御部は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力ポート等を備える周知の計算機を用いて構成され、燃料電池システム１０００全体を制御する。制御部４００は、燃料電池システム１０００の各部、例えば、エアコンプレッサ３００、冷却媒体供給部５００、コンバータ６３０、圧力調整バルブ３２０、排出バルブ２４０と制御信号を遣り取り可能に接続されている。また、制御部４００は、各種センサ（例えば、電流センサ１１０や電圧センサ１２１、１２２）から情報を収集可能に接続されている。制御部４００は、各種センサから情報を収集する機能や、燃料電池システム１０００の各部の動作を制御する機能を始め、燃料電池システム１０００全体を制御するための様々な機能を備えるが、図１においては、本実施例の説明に必要な機能部を選択的に図示し、本明細書では、その機能部について選択的に説明する。制御部４００は、その機能部として、抵抗測定部４１０と、抵抗比較部４２０と、乾燥制御部４３０と、加湿制御部４４０とを備えている。抵抗測定部４１０は、電流センサ１１０および第１の電圧センサ１２１から取得される電流および電圧に基づいて、上述した端部セルの抵抗値を測定する。また、抵抗測定部４１０は、電流センサ１１０および第２の電圧センサ１２２から取得される電流および電圧に基づいて、複数の単セル１０１全体の抵抗値を測定する。抵抗比較部４２０は、端部セルの抵抗値と、複数の単セル１０１全体の抵抗値とを比較する。乾燥制御部４３０は、端部セルの抵抗値に基づいて、燃料電池１００を乾燥させる制御を行う。加湿制御部４４０は、抵抗比較部４２０による抵抗値の比較結果に基づいて、燃料電池１００を加湿する制御を行う。これらの各機能部については、さらに、後述する。
【００２８】
・燃料電池システムの動作：
図３〜図５を参照して、燃料電池システム１０００の動作について説明する。図３は、運転終了動作の動作ステップを示すフローチャートである。図４は、運転開始動作の動作ステップを示すフローチャートである。図５は、単セルにおける抵抗値と湿潤状態の関係を示すグラフである。
【００２９】
まず、燃料電池１００の運転を終了する際の動作（運転終了動作）について説明する。運転終了動作は、燃料電池１００の運転を終了する際、例えば、燃料電池１００が自動車の動力として用いられている場合に、自動車の運転を停止し、キーをオフ位置に戻した際に開始される。運転終了動作が開始されると、制御部４００の乾燥制御部４３０は、燃料電池１００の乾燥制御を開始する（ステップＳ１１０）。燃料電池１００が運転されているとき、固体高分子電解質膜を湿潤に保つため、燃料電池１００の内部は、水分を多く含む状態に制御されている。燃料電池１００の内部に水分が多く含まれた状態で、燃料電池１００を停止すると、燃料電池１００の温度が下がったときに、水分が燃料電池１００の内部に結露し、燃料電池１００の内部が凍結するおそれがある。このため、燃料電池の運転終了動作において、燃料電池１００の内部を乾燥させる必要がある。乾燥制御は、例えば、燃料ガス加湿器２１０および酸化ガス加湿器３１０の動作を停止すると共に、エアコンプレッサ３００を動作させることにより、乾燥した空気を燃料電池１００の酸化ガス流路３５内部に流動させる制御である。これにより、燃料電池１００の内部の水分が気化され、乾燥した空気と共に酸化ガス排出路３６を介して外部に持ち去られるので、燃料電池１００の内部、例えば、単セル１０１の電解質膜を乾燥させることができる。
【００３０】
乾燥制御が開始されると、制御部４００の抵抗測定部４１０は、上述した端部セルの抵抗値（端部抵抗）Ｒｅを取得する（ステップＳ１２０）。具体的には、抵抗測定部４１０は、コンバータ６３０を制御して、燃料電池１００の両端の集電体１０３間の電流に、所定の周波数を有する交流成分を付与する。抵抗測定部４１０は、集電体１０３間の電流を電流センサ１１０から取得すると共に、端部セルの電圧を第１の電圧センサ１２１から取得する。抵抗測定部４１０は、取得された電流の交流成分と、取得された電圧の交流成分との位相差、および、交流成分の周波数に基づいて、端部抵抗Ｒｅを算出する。
【００３１】
単セル１０１の抵抗は、主に単セル１０１の構成部品の抵抗および構成部品間の接触抵抗により決まる。このうち、単セル１０１の主要な構成部品である固体高分子電解質膜の抵抗（膜抵抗）は、固体高分子電解質膜の湿潤状態により変動する。したがって、単セル１０１の抵抗値を測定することにより、単セル１０１の湿潤状態を検出することができる。
【００３２】
図５に実線Ｌで示すように、単セル１０１が所定の湿潤レベルＴｈより湿潤な状態にある場合には、単セル１０１の抵抗値は、概ね一定である。一方、単セル１０１が所定の湿潤レベルＴｈより乾燥した状態にある場合、単セル１０１の抵抗値は、単セル１０１が乾燥しているほど大きくなる。
【００３３】
端部抵抗Ｒｅが取得されると、制御部４００の乾燥制御部４３０は、端部抵抗Ｒｅが閾値Ｃ１より大きいか否か判断する（ステップＳ１３０）。閾値Ｃ１は、予め実験などにより経験的に定められた値であり、低温時における凍結が発生しない程度まで単セル１０１が乾燥した状態に対応する単セル１０１の抵抗値である（図５）。燃料電池１００の運転中は、単セル１０１の抵抗値が低いことが好ましいため、単セル１０１の湿潤状態は、所定のレベルＴｈより湿潤な状態にされている。運転終了動作において乾燥制御が開始されると、端部セルは徐々に乾燥され、端部セルの抵抗値は、乾燥に伴って上昇する。この結果、端部セルが低温時における凍結が発生しない程度まで乾燥されると、端部抵抗Ｒｅは、閾値Ｃ１より大きくなる。
【００３４】
乾燥制御部４３０は、端部抵抗Ｒｅが閾値Ｃ１より小さいと判断すると（ステップＳ１３０：ＮＯ）、乾燥制御を継続し、ステップＳ１２０に戻る。乾燥制御部４３０は、端部抵抗Ｒｅが閾値より大きいと判断すると（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、乾燥制御を終了する（ステップＳ１４０）。すなわち、複数の単セル１０１のうちの上述した端部セルが抵抗値Ｃ１に対応する湿潤状態になるまで、燃料電池１００全体を乾燥させることになる。ここで、このように端部セルを基準にして乾燥処理を行うのは、端部セルが複数の単セル１０１の中で、最も湿潤になりやすいセルであるためである。最も湿潤になりやすい端部セルを凍結が発生しない程度まで乾燥させれば、端部セル以外の単セル１０１は、端部セルよりも乾燥した状態にあるため、確実に燃料電池１００の凍結を防止することができる。端部セルが最も湿潤になりやすい理由は、端部セルは外気に近いため他の単セル１０１より温度が低くなることが挙げられる。このため、燃料電池１００内部で発生した生成水は、端部セルにおいてより多く凝集するため、端部セルは湿潤になりやすい。
【００３５】
乾燥制御を終了すると、制御部４００の抵抗測定部４１０は、乾燥制御終了時の端部抵抗Ｒｅと、全体抵抗Ｒｔを取得して記憶しておく（ステップＳ１５０）。全体抵抗Ｒｔは、複数の単セル１０１の全体の抵抗値である。端部抵抗Ｒｅを取得する方法は、上述のとおりである。全体抵抗Ｒｔは、電流センサ１１０から取得された電流値と、第２の電圧センサ１２２から取得された複数の単セル１０１全体の電圧値とから、端部抵抗Ｒｅの算出と同様の方法により、算出される。乾燥制御終了時の端部抵抗Ｒｅと、全体抵抗Ｒｔが記憶されると、運転終了動作は終了される。
【００３６】
次に、図４を参照して、燃料電池１００の運転を開始する際の動作（運転開始動作）について説明する。運転開始動作は、燃料電池１００の運転を開始する際、例えば、燃料電池１００が自動車の動力として用いられている場合に、自動車の運転に先だって、キーをオン位置に入れた際に開始される。運転開始動作が開始されると、制御部４００が起動される（ステップＳ２１０）。制御部４００が起動されると、制御部４００は、前回運転時の運転終了動作のステップＳ１５０（図３）において記憶した端部抵抗Ｒｅおよび全体抵抗Ｒｔを取得する（ステップＳ２２０）。端部抵抗Ｒｅおよび全体抵抗Ｒｔが取得されると、制御部４００の抵抗比較部４２０は、複数の単セル１０１の平均抵抗と端部抵抗Ｒｅの差分ΔＲ＝（全体抵抗Ｒｔ／単セル数−端部抵抗Ｒｅ）が、所定の閾値Ｃ２より大きいか否かを判断する（ステップＳ２３０）。
【００３７】
差分ΔＲの大きさによって、端部セルと端部セル以外の部分の単セル１０１との間で湿潤状態を比較することができる。差分ΔＲが所定の閾値Ｃ２より大きい場合には、端部セル以外の部分の単セル１０１、例えば、スタック構造の中央部分の単セル１０１が、端部セルと比較して乾燥しすぎていると、判断できる。逆に差分ΔＲが所定の閾値Ｃ２より小さい場合には、端部セル以外の部分の単セル１０１と、端部セルとの乾燥の程度は、それほど差がないと判断できる。このような、端部セル以外の部分の単セル１０１と端部セルとの乾燥の程度の差は、前回の運転終了時における残留水の分布のバラツキによる。先の運転終了後の運転終了動作において、端部セルを基準にして乾燥制御を行っている（図３）ため、例えば、端部セルの残留水に比較して他の単セル１０１の残留水が少ない場合には、端部セルの凍結が防止できる程度まで乾燥制御を行うと、他の単セル１０１は過剰に乾燥してしまう。一方、端部セルの残留水と他の単セル１０１の残留水との間で量にそれほど差がない場合には、端部セルと他の単セル１０１との間で乾燥の程度にそれほど差はなくなる。
【００３８】
差分ΔＲが所定の閾値Ｃ２より小さいと判断されると（ステップＳ２３０：ＮＯ）、制御部４００は、燃料電池１００を通常制御により起動する（ステップＳ２５０）。一方、差分ΔＲが所定の閾値Ｃ２より大きいと判断されると（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、制御部４００は、燃料電池１００を加湿制御により起動する（ステップＳ２４０）。加湿制御は、通常制御より燃料電池１００の内部の加湿量を多くする制御である。具体的には、加湿制御は、燃料ガス加湿器２１０および酸化ガス加湿器３１０を制御し、燃料電池１００に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの加湿量を、通常制御より多くすることにより実行される。
【００３９】
以上説明した本実施例に係る燃料電池システム１０００によれば、湿潤になりやすい端部セルの湿潤状態を基準にして、燃料電池１００の運転終了時に乾燥制御を実行するので、燃料電池１００の凍結をより確実に防止することができる。
【００４０】
そして、燃料電池１００の運転開始時において、端部セルの湿潤状態と、端部セル以外の部分の単セル１０１との湿潤状態を比較して、その比較結果に基づいて、加湿制御など燃料電池１００の湿潤状態を管理する制御を行うので、燃料電池１００の湿潤状態の制御の精度を向上することができる。具体的には、端部セルと比較して、端部セル以外の部分の単セル１０１が乾燥しすぎている場合には、それを認識し、加湿量を多くしながら起動を行うので、燃料電池１００の内部を速やかに適度な加湿状態にすることができる。
【００４１】
また、燃料電池１００の運転開始時における端部セルおよびその他のセルの湿潤状態は、前回の運転終了時の端部抵抗Ｒｅおよび全体抵抗Ｒｔを用いて判断されるので、運転開始時に端部抵抗Ｒｅおよび全体抵抗Ｒｔを測定する必要がなく、より速やかに燃料電池１００の内部を適度な加湿状態にすることができる。
【００４２】
Ｂ．変形例：
・第１変形例：
上記実施例では、運転開始動作において、端部セルとそれ以外のセルとの間の湿潤状態の比較結果に基づいた制御を行っているが、これに代えて、通常運転動作において、かかる制御を行っても良い。図６は、通常運転動作の動作ステップを示すフローチャートである。通常運転動作は、燃料電池１００の運転を実行している際、例えば、燃料電池１００が自動車の動力として用いられている場合に、自動車の走行中に実行される。
【００４３】
通常運転動作中において、制御部４００の抵抗測定部４１０は、定期的に端部抵抗Ｒｅおよび全体抵抗Ｒｔを取得する（ステップＳ３１０）。端部抵抗Ｒｅおよび全体抵抗Ｒｔが取得されると、制御部４００の抵抗比較部４２０は、実施例と同様にΔＲを算出し、ΔＲが所定の閾値Ｃ３より大きいか否かを判断する（ステップＳ３２０）。ΔＲが所定の閾値Ｃ３より小さいと判断されると（ステップＳ３２０：ＮＯ）、制御部４００は通常制御により燃料電池１００を運転する。一方、ΔＲが所定の閾値Ｃ３より大きいと判断されると（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）、制御部４００は加湿制御により燃料電池１００を運転する。通常制御による運転では、例えば、端部抵抗Ｒｅの値に基づいて、すなわち、端部セルの湿潤状態を基準にして、燃料電池１００の湿潤状態をコントロールしながら燃料電池１００の発電が行われる。一方、加湿制御による運転では、上述した実施例と同様に、通常制御より加湿量を多くして、燃料電池１００の発電が行われる。
【００４４】
第１変形例によれば、通常は、湿潤になりやすい端部セルを基準にして燃料電池１００の湿潤状態を管理しながら運転を行うことで、燃料電池１００のフラッディングを抑制することができる。さらに、端部セル以外の他の単セル１０１が、端部セルと比較して乾燥し過ぎた状態になった場合には加湿量を多くして運転が行われるので、燃料電池１００が乾燥して内部抵抗が大きくなることを抑制することができる。すなわち、第１変形例によれば、通常運転時の燃料電池１００の湿潤状態を精度良く管理して、フラッディングや過剰な乾燥に起因する燃料電池１００の出力低下を抑制することができる。
【００４５】
・第２変形例：
上記実施例に係る燃料電池システム１０００では、燃料ガス加湿器２１０および酸化ガス加湿器３１０が設けられているが、燃料ガス加湿器２１０および酸化ガス加湿器３１０が設けられていなくても良い。図７は、第２変形例に係る燃料電池システムの概略構成を表す説明図である。第２変形例に係る燃料電池システム１０００Ａは、実施例に係る燃料電池システム１０００と異なり、酸化ガス供給路３４上に酸化ガス加湿器３１０が設けられていないと共に、燃料ガス供給路２４上に燃料ガス加湿器２１０が設けられていない。第２変形例に係る燃料電池システム１０００Ａの他の構成は、図１を参照して説明した実施例に係る燃料電池システム１０００の構成と同一であるので、同一の構成については図７において図１と同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
第２変形例における加湿量の変更は、１．燃料ガス（水素）の供給量に対する酸化ガス（空気）の供給量の比率の変更、２．燃料電池１００の温度の変更、３．酸化ガス（空気）のガス圧の変更、のうちの全部または一部によって実行される。実施例における加湿制御の例（図４：ステップＳ２４０）、すなわち、通常制御より加湿量を多くする例を、詳しく説明する。
【００４７】
加湿量を多くする場合、エアコンプレッサ３００を制御して、燃料ガスの供給量に対する酸化ガスの供給量の比率を、通常制御の場合より小さくする。その結果、生成水の生成量に対して、酸化ガスによる残留水の持ち去り量が減少するため、燃料電池１００内部の残留水の量が増加し、燃料電池１００の加湿量が多くなる。
【００４８】
また、加湿量を多くする場合、冷却媒体供給部５００を制御して多くの冷却水を冷却媒体流路５５に循環させることにより、通常制御の場合より燃料電池１００の温度を低下させる。この結果、燃料電池１００内部における飽和水蒸気圧が下がり、燃料電池１００内部に結露する水分の量が増加するため、酸化ガスによる残留水の持ち去り量が減少する。従って、燃料電池１００内部の残留水の量が増加し、燃料電池１００の加湿量が多くなる。
【００４９】
また、加湿量を多くする場合、エアコンプレッサ３００および圧力調整バルブ３２０を制御して、燃料電池１００の酸化ガス流路３５を流動する酸化ガスのガス圧を通常制御の場合より大きくする。この結果、酸化ガス中に気化している水蒸気が凝集して燃料電池１００内部に結露する水分の量が増加するため、酸化ガスによる残留水の持ち去り量が減少する。従って、燃料電池１００内部の残留水の量が増加し、燃料電池１００の加湿量が多くなる。
【００５０】
以上のような制御により、燃料ガス加湿器２１０および酸化ガス加湿器３１０がない燃料電池システム１０００Ａにおいても、加湿制御を行うことができる。また、加湿制御を行うときは、燃料電池１００の出力の制限を行うこととしても良い。加湿制御が必要なほど燃料電池１００の一部が乾燥している場合には、燃料電池１００の内部抵抗が増加しているため、燃料電池１００の出力が低下せざるを得ないためである。
【００５１】
以上のような制御を行うことにより、第２変形例に係る燃料電池システム１０００Ａにおいても、実施例に係る燃料電池システム１０００と同様の作用・効果を実現することができる。
【００５２】
・第３変形例：
上記実施例では、端部セルの湿潤状態と、複数の単セル１０１全体の湿潤状態を比較して、加湿制御を行っているが、湿潤状態の検出箇所は、これに限られない。例えば、端部セルの湿潤状態と、スタック構造の中央付近に位置する一の単セル１０１の湿潤状態を比較しても良いし、端部セルと端部セルに隣接する単セル１０１の湿潤状態と、スタック構造の中央付近に位置する２つの単セル１０１の湿潤状態を比較しても良い。すなわち、一般的には、複数の単セル１０１のうちの少なくとも１つの単セルＡの湿潤状態と、複数の単セル１０１のうち、単セルＡと異なる単セルを含む少なくとも１つの単セルＢ（全部を含む）の湿潤状態を比較すれば、燃料電池１００内部の湿潤状態のバラツキを類推することができる。ただし、一方の単セルＡは湿潤になりやすい部分（例えば、端部セル）を含むことが好ましく、他方の単セルＢは一方の単セルＡより湿潤になりにくい部分（例えば、中央付近のセル）を含むことが好ましい。燃料電池１００内部の湿潤状態のバラツキを精度良く認識することができるからである。
【００５３】
・第４実施例：
上記実施例では、上述したように検出対象の単セル１０１の抵抗値を算出することにより、単セル１０１の湿潤状態を検出しているが、湿潤状態の検出方法はこれに限られない。例えば、単セル１０１内部に水蒸気分圧センサを設けること等により単セル１０１の湿潤状態を検出しても良い。ただし、実施例のように、単セル１０１の抵抗値に基づいて、単セル１０１の湿潤状態を検出すれば、比較的容易に精度良く単セル１０１の湿潤状態を検出することができる。
【００５４】
以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例に係る燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池の概略構成を表す説明図である。
【図３】運転終了動作の動作ステップを示すフローチャートである。
【図４】運転開始動作の動作ステップを示すフローチャートである。
【図５】単セルにおける抵抗値と湿潤状態の関係を示すグラフである。
【図６】通常運転動作の動作ステップを示すフローチャートである。
【図７】第２変形例に係る燃料電池システムの概略構成を表す説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
２４…燃料ガス供給路
２５…燃料ガス流路
２６…燃料ガス排出路
２８…循環流路
３４…酸化ガス供給路
３５…酸化ガス流路
３６…酸化ガス排出路
５４…冷却媒体供給路
５５…冷却媒体流路
５６…冷却媒体排出路
６１…配線
１００…燃料電池
１０１…単セル
１０２…セパレータ
１０３…集電体
１１０…電流センサ
１２１…第１の電圧センサ
１２２…第２の電圧センサ
２００…水素タンク
２１０…燃料ガス加湿器
２２０…圧力調整バルブ
２４０…排出バルブ
２５０…燃料ガスポンプ
３００…エアコンプレッサ
３１０…酸化ガス加湿器
３２０…圧力調整バルブ
４００…制御部
４１０…抵抗測定部
４２０…抵抗比較部
４３０…乾燥制御部
４４０…加湿制御部
５００…冷却媒体供給部
６１０…負荷
６２０…２次電池
６３０…コンバータ
１０００、１０００Ａ…燃料電池システム
【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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