(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
各該単セル電圧から導いた電圧降下速度である算出電圧降下速度と予め設定した基準電圧降下速度とを比較する電圧降下速度比較手段と、
いずれかの該算出電圧降下速度が該基準電圧降下速度以上である場合、その単セル電圧と予め設定した空気供給不足発生電圧とを比較する電圧比較手段と、
その単セル電圧が該空気供給不足発生電圧以下でかつその低い状態での滞在時間が予め定めた基準時間を越えた場合、電圧が回復しない空気供給不足が生じていると判断して、前記空気量を増加させる空気量増加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】
前記燃料電池スタックに冷媒を供給する冷却装置を備え、
前記制御装置は、前記空気量増加手段によって前記空気量を増加させている間、供給する冷媒量を減少させる冷媒量制御手段を有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出装置を備え、
前記制御装置は、前記空気量増加手段によって前記空気量を増加させている間、該燃料電池スタックの温度が予め設定した基準温度以上の場合、前記冷媒量制御手段が前記冷媒量を増加させる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度検出装置は、前記燃料電池スタックの排気温度に基づいて温度を検出するものである請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記単セル電圧が前記空気供給不足発生電圧以下の場合、その単セル電圧と予め設定した燃料供給不足発生電圧とを比較し、その単セル電圧が該燃料供給不足発生電圧以下の場合、システムを停止させる停止手段を有する請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記単セル電圧が前記燃料供給不足発生電圧以下の場合、警告信号を発する警告手段を有する請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記空気供給量不足発生電圧は０．３Ｖである請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料供給不足発生電圧は０Ｖである請求項５又は６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関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックを備えている。各単セルは、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜を燃料極（アノード極、水素極ともいう。）と空気極（カソード極、酸素極ともいう。）とで挟持したものである。また、各単セルは、燃料極に水素ガス等の燃料を供給するための燃料室と、空気極に酸素を含む空気を供給するための空気室とを有している。
【０００３】
また、この燃料電池システムは、燃料供給装置と空気供給装置と制御装置とを備えている。燃料供給装置は、燃料電池スタックに燃料を供給するものである。空気供給装置は、燃料電池スタックに空気を供給するものである。制御装置は、燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御するものである。
【０００４】
このような構成である従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に、水素ガス等の燃料が各単セルの燃料室に供給され、それと同時に各単セルの空気室に酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セルでは、燃料極と空気極との間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極で得られた水素イオンがプロトン（Ｈ3Ｏ+）の形態で水分を含んだ電解質膜中を空気極側に移動し、空気極で空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極で得られた電子は負荷装置を通って空気極側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セルにおいて、電力が出力される。その結果、単セルが複数積層された燃料電池スタックは、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。
【０００５】
ところで、この燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に良好な発電状態を維持するため、各単セルの空気極で空気供給不足を生じないようにする必要がある。このため、各空気極からは少なくとも生成水が好適に排除されなければならない。電解質膜を直噴水によって湿潤に保つ燃料電池システムにおいては、各空気極に過剰な直噴水が残留しないようにもしなければならない。さもなければ、各単セルの発電能力が低下するからである。そして、空気供給不足を生じさせる生成水等が燃料極まで逆拡散すると、燃料供給不足によって燃料電池スタックに回復困難な性能低下や故障が生じるおそれもある。
【０００６】
このため、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力電圧とインピーダンス計で検出されたインピーダンスとにより全体的な空気極の濡れすぎを検出し、空気極が濡れすぎである場合には、全空気極に供給する空気の動圧を一時的に増加させることとしている。これにより、この燃料電池システムでは、各空気極の空気供給不足を解消可能としている。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１の燃料電池システムは、空気極の空気供給不足を燃料電池スタック全体の出力電圧及びインピーダンスに基付いてしか判定していない。このため、燃料電池スタックを構成する複数の単セルの内、一つ又は少数の単セルについて空気供給不足が進行しても、その事態を正確に判定することができない。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが不十分であった。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池スタックに電圧が回復しない空気供給不足が生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
各該単セル電圧から導いた電圧降下速度である算出電圧降下速度と予め設定した基準電圧降下速度とを比較する電圧降下速度比較手段と、
いずれかの該算出電圧降下速度が該基準電圧降下速度以上である場合、その単セル電圧と予め設定した空気供給不足発生電圧とを比較する電圧比較手段と、
その単セル電圧が該空気供給不足発生電圧以下でかつその低い状態での滞在時間が予め定めた基準時間を越えた場合、電圧が回復しない空気供給不足が生じていると判断して、前記空気量を増加させる空気量増加手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
発明者らの試験結果によれば、以下の場合にいずれかの単セルで空気供給不足が生じたことを判断できる。まず、各単セル電圧を検出し、それらの算出電圧降下速度と予め設定した基準電圧降下速度とを比較する。次いで、いずれかの単セルにおいて、算出電圧降下速度が基準電圧降下速度以上である場合、その単セル電圧と予め設定した空気供給不足発生電圧とを比較する。そして、その単セル電圧が空気供給不足発生電圧以下でかつその低い状態での滞在時間が予め定めた基準時間を越えた場合、電圧が回復しない空気供給不足を生じていると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、空気量増加手段により空気量を増加させ、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。
【００１２】
したがって、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックに電圧が回復しない空気供給不足が生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能である。
【００１３】
燃料電池スタックに冷媒を供給する冷却装置を備え、制御装置は、空気量増加手段によって空気量を増加させている間、供給する冷媒量を減少させる冷媒量制御手段を有することが好ましい。空気量増加手段によって空気量を増加させている間、冷媒量制御手段が供給する冷媒量を減少させれば、例えば燃料電池スタックの各空気極に残留している過剰な冷媒を吹き飛ばすことができ、これによって電圧が回復しない空気供給不足を解消することができる。冷却装置としては、冷媒としての水を各空気極に直噴する直噴水供給装置を採用することができる。
【００１４】
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出装置を備え、制御装置は、空気量増加手段によって空気量を増加させている間、燃料電池スタックの温度が予め設定した基準温度以上の場合、冷媒量制御手段が冷媒量を増加させることが好ましい。空気量増加手段が空気量を増加すれば、電圧が回復しない空気供給不足を生じていない空気極では反応がより進むこととなり、燃料電池スタックの温度が上昇する。この際、冷媒量制御手段が供給する冷媒量を減少させておれば、燃料電池スタックの温度上昇が抑制されず、燃料電池スタックの性能低下及び耐久性劣化のおそれがある。このため、燃料電池スタックの温度が予め設定した基準温度以上の場合、冷媒量制御手段が冷媒量を増加させることとすれば、電圧が回復しない空気供給不足後の回復動作として、燃料電池スタックを迅速に冷却し、燃料電池スタックの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【００１５】
温度検出装置としては、燃料電池スタックの温度を検出できるものであれば、種々のものを採用できるが、燃料電池スタックの排気温度に基づいて温度を検出するものであることが好ましい。これにより比較的簡易にかつ正確に燃料電池スタックの温度を検出することができるからである。
【００１６】
制御装置は、単セル電圧が空気供給不足発生電圧以下の場合、その単セル電圧と予め設定した燃料供給不足発生電圧とを比較し、その単セル電圧が燃料供給不足発生電圧以下の場合、システムを停止させる停止手段を有することが好ましい。この場合、電圧が回復しない空気供給不足を生じさせた生成水等が燃料極まで逆拡散し、燃料供給不足を生じていると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、停止手段によってシステムを停止し、燃料電池スタックの回復困難な性能低下や故障を回避する。
【００１７】
制御装置は、単セル電圧が燃料供給不足発生電圧以下の場合、警告信号を発する警告手段を有することが好ましい。この場合、システムが停止処理状態にあることが明確になる。また、燃料電池システムは、燃料電池スタックと並列に接続され、燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、燃料電池スタック及び蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、燃料電池スタックとの接続を蓄電装置又は負荷装置に切り換えると共に燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置とを備えることができる。この場合、警告手段によって警告信号が発せられれば、蓄電装置によって負荷装置を駆動したり、負荷装置の駆動制限を行うことができる。
【００１８】
発明者らの試験結果によれば、空気供給量不足発生電圧としては、０．３Ｖを採用することができる。また、燃料供給不足発生電圧としては、０Ｖを採用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施例１を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１に示す実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、蓄電装置２と、負荷装置３と、制御装置４とを備えている。
【００２１】
燃料電池スタック１は、図２に示すように、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セル１０が複数積層されたものである。単セル１０は、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜１１ａを燃料極１１ｂと、空気極１１ｃとで挟持したものである。燃料極１１ｂは、電解質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなり、空気極１１ｃは、電解質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる。また、各単セル１０は、隣接する他の単セル１０との間にセパレータ１２を有している。各セパレータ１２の燃料極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスである水素ガスが燃料極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって酸素を含む空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。
【００２２】
そして、この燃料電池スタック１は、図１に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム１００を構成する。
【００２３】
燃料電池スタック１の燃料室１２ａに設けられた供給口２１ａ及び排出口２１ｂには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室１２ａ内への水素ガスの供給及び燃料室１２ａからの排気水素ガスの排出を実施することが可能とされている。
【００２４】
供給口２１ａの最も上流側には水素タンク５０があり、水素タンク５０と供給口２１ａとの間には、配管５１が設けられている。配管５１は、水素タンク５０側から、水素元電磁弁６１ａと、水素供給圧レギュレータ６１ｂと、水素供給電磁弁６１ｃとを有している。
【００２５】
排出口２１ｂから接続点Ｂまでには配管５２が設けられ、接続点Ｂからダクト９１までには、配管５３が設けられている。また、接続点Ｂから配管５１の途中の接続点Ａまでには、配管５４が設けられている。
【００２６】
配管５３は、排気水素ガスを排気口２１ｂから排出するための水素排気電磁弁６３を有している。配管５４は、排気水素ガスを供給口２１ａから再供給するための水素循環電磁弁６４を有している。水素タンク５０、配管５１〜５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４が燃料供給装置である。
【００２７】
また、燃料電池スタック１の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド４２が設けられている。この空気マニホールド４２には、フィルタ４１ａを有する空気吸入ファン４１が接続されており、空気室１２ｂ内に空気を供給可能とされている。空気吸入ファン４１及び空気マニホールド４２が空気供給装置である。
【００２８】
また、空気マニホールド４２には、水噴射ノズル９９が配設されている。この水噴射ノズル９９は、配管９８によりレベルゲージ９７ａが内装された水タンク９７と接続されている。配管９８は、フィルタ９８ａ及び水直噴ポンプ８３を有している。水直噴ポンプ８３、配管９８及び水噴射ノズル９９が燃料電池スタック１に水を供給する冷却装置である。
【００２９】
さらに、燃料電池スタック１の下方には、温度センサ９０ａを有する空気排出経路９０と、凝縮器９２と、凝縮器ファン９３と、排出された空気を空気排出経路９０から凝縮器９２まで導くダクト９１とが設けられて、空気室１２ｂ内から空気を排出可能とされている。凝縮器９２は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管９４と、フィルタ９４ａと、温度センサ９４ｂとを有しているとともに、分離された水を水タンク９７に輸送する配管９６と、水回収ポンプ８２とを有している。
【００３０】
燃料電池スタック１、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４は、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。また、空気吸入ファン４１、レベルゲージ９７ａ、水直噴ポンプ８３、温度センサ９０ａ、凝縮器ファン９３その他の構成部品も、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。
【００３１】
次に、蓄電装置２、負荷装置３及び制御装置４について説明する。
【００３２】
蓄電装置２は、図１に示すように、燃料電池スタック１と並列に接続され、燃料電池スタック１から出力された電力を蓄えるものである。蓄電装置２としては、キャパシタや二次電池等の一般的な蓄電手段を採用することができる。
【００３３】
負荷装置３は、燃料電池スタック１及び蓄電装置２とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動されるものである。負荷装置３は、インバータ（図示しない）及び電動モータ（図示しない）を有し、燃料電池システム１００が搭載される自動車を走行させることが可能とされている。
【００３４】
制御装置４は、燃料電池スタック１に供給する燃料量及び空気量を制御し、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えると共に燃料電池スタック１の電流値を制御するものである。
【００３５】
具体的には、空気吸入ファン４１及び水直噴ポンプ８３は制御装置４に接続されている。また、燃料電池スタック１の燃料極１１ａ側の端子１ａには、制御装置４の一部を構成するリレー４５ａ、４５ｄ、ダイオード４５ｂ及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）４５ｃが接続されている。
【００３６】
リレー４５ａ、４５ｄの連携動作によって、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えたり、燃料電池スタック１と蓄電装置２及び負荷装置３との接続を切り離したりすることが可能とされている。また、ダイオード４５ｂによって、蓄電装置２から燃料電池スタック１への電流を遮断するようになっている。さらに、ＩＰＭ４５ｃによって、燃料電池スタック１と蓄電装置２との電力供給の分担を状況に応じて調整し、燃料電池スタック１の電流値を制御することが可能とされている。
【００３７】
また、制御装置４は、図３及び図４の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１４のプログラムに示すように、単セル電圧検出手段Ｓ１０２、Ｓ１０３、電圧降下速度比較手段Ｓ１０４、Ｓ１０５及び電圧比較手段Ｓ１０６、Ｓ１０７、Ｓ１１０、Ｓ１１１を有するとともに、図５の空気供給不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０７と、図４の水素供給不足対策ルーチンＳ１１３、Ｓ１１４とを有する。
【００３８】
このような構成である実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の発電時に、図２に示すように、水素ガス等の燃料が各単セル１０の燃料室１２ａに供給され、それと同時に各単セル１０の空気室１２ｂに酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セル１０では、燃料極１１ｂと空気極１１ｃとの間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極１１ｂで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ3Ｏ+）の形態で水分を含んだ電解質膜１１ａ中を空気極１１ｃ側に移動し、空気極１１ｃで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極１１ｂで得られた電子は負荷装置３を通って空気極１１ｃ側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セル１０において、電力が出力される。その結果、単セル１０が複数積層された燃料電池スタック１は、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。
【００３９】
この間、図１に示すように、配管５１、５２、５３、５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４によって、水素タンク５１から水素ガスが供給口２１ａに供給されたり、排気水素ガスが排出口２１ｂから供給口２１ａに再供給されたりする。また、配管５２、５３と、水素排気電磁弁６３とによって、排気水素ガス及び電気化学反応により生成された生成水が燃料室１２ａの排出口２１ｂから間欠的にダクト９１を経て凝縮器９２に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせる。
【００４０】
また、水タンク９７の水が水直噴ポンプ８３により圧送されて、水噴射ノズル９９から空気マニホールド４２内に噴射される。これにより、空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａの乾燥が抑制され、適度な湿潤状態とされるとともに、燃料電池スタック１が冷却される。さらに、燃料電池スタック１の空気室１２ｂから排出された水を含む空気は、空気排出経路９０からダクト９１を経て凝縮器９２に移送される。そして、凝縮器９２により分離された空気は、配管９４から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ８２により水タンク９７に回収される。なお、ダクト９１を経て凝縮器９２に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク９７に回収される。
【００４１】
このように動作する燃料電池システム１００において、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図３及び図４に示すプログラムに従って、上述の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１４を実施する。
【００４２】
つまり、この検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１４が実行されると、ステップＳ１０１では、検知処理実施回数ｍが０とされる。ステップＳ１０２では、時刻Ｔ１（０）において、各単セル電圧Ｖｃ１（０）、Ｖｃ２（０）、…、Ｖｃｐ（０）が検出され（ｐ：単セルの総数）、記憶手段に記憶される。次に、ステップＳ１０３では、時刻Ｔ１（ｍ）において、各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。
【００４３】
そして、ステップＳ１０４では、算出電圧降下速度ｄＶｃ１（ｍ）、ｄＶｃ２（ｍ）、…、ｄＶｃｐ（ｍ）を導き、記憶手段に記憶される。ステップＳ１０５では、個々の算出電圧降下速度ｄＶｃ１（ｍ）、ｄＶｃ２（ｍ）、…、ｄＶｃｐ（ｍ）と予め設定した基準電圧降下速度ｄＶｓｔｄとを比較し、記憶手段に記憶される。
【００４４】
ステップＳ１０５において、一つの単セルでも算出電圧降下速度が基準電圧降下速度ｄＶｓｔｄ以上に降下しておれば、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、算出電圧降下速度ｄＶｃ１（ｍ）、ｄＶｃ２（ｍ）、…、ｄＶｃｐ（ｍ）が基準電圧降下速度ｄＶｓｔｄ以上の単セルを抽出単セルとして抽出し、ステップＳ１０７では、その抽出単セルの単セル電圧と予め設定した空気供給不足発生電圧（０．３Ｖ）とを比較する。
【００４５】
ステップＳ１０７でＹＥＳであれば、図４に示すステップＳ１１０に進む。一方、図３に示すように、ステップＳ１０５において、一つの単セルも算出電圧降下速度が基準電圧降下速度ｄＶｓｔｄ以上に降下していなければ、ステップＳ１０８に進む。また、ステップＳ１０７でＮＯであれば、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、検知処理を継続するか否かが判断され、ステップＳ１０９で検知処理実施回数ｍがインクリメントされ、ステップＳ１０３に戻る。
【００４６】
図４に示すステップＳ１１０では、まず、単セル電圧が０．３Ｖ以下である滞在時間Ｔ２の計時が開始される。そして、ステップＳ１１１では、その抽出単セルの単セル電圧と予め設定した燃料供給不足発生電圧（０Ｖ）とを比較する。
【００４７】
ステップＳ１１１でＮＯであれば、ステップＳ１１２に進み、滞在時間Ｔ２が予め定めた基準時間を越えるか否かが判断される。ステップＳ１１２でＹＥＳであれば、電圧が回復しない空気供給不足を生じていると正確に判断されるため、図５に示す空気不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０７に進む。図４に示すステップＳ１１２でＮＯであれば、ステップＳ１１１に戻る。
【００４８】
ステップＳ１１１でＹＥＳであれば、ステップＳ１１３に進み、警告手段としての水素供給不足対策ルーチンＳ１１３を経て、ステップＳ１１４でシステムの緊急停止処理が行われる。水素供給不足対策ルーチンＳ１１３では、警告信号を発する。この場合、燃料電池システム１００が停止処理状態にあることが明確になる。また、この燃料電池システム１００は、警告信号が発せられることにより、蓄電装置２によって負荷装置３を駆動することもできる。
【００４９】
制御装置４は、図５に示す空気供給不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０７に移行した後、下記の通り、燃料電池システム１００を実施する。
【００５０】
ステップＳ２０１では、負荷装置３の駆動制限を行い、車両に出力制限を通知する。また、ステップＳ２０２では、冷媒量制御手段として、水直噴ポンプ８３を停止させる。次いで、ステップＳ２０３では、空気量増加手段として、空気吸入ファン４１の回転数を増加する。これにより、空気極１２ｂに供給される空気量が増加し、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。また、空気吸入ファン４１が空気量を増加させている間、水直噴ポンプ８３が供給する水量を減少させているため、燃料電池スタック１の各空気極１２ｂに残留している過剰な水を吹き飛ばすことができ、これによって空気供給不足をより確実に解消することができる。
【００５１】
この間、空気供給不足を生じていない空気極１２ｂでは反応がより進むこととなり、燃料電池スタック１の温度が上昇する。この際、水直噴ポンプ８３が供給する水量を減少させていることから、燃料電池スタック１の温度上昇は抑制されず、燃料電池スタック１の性能低下及び耐久性劣化のおそれがある。このため、ステップＳ２０４では、温度センサ９０ａにより燃料電池スタック１の排気温度を検知し、ステップＳ２０５では、その温度が基準温度以上か否かを判断する。
【００５２】
ステップＳ２０５において、ＹＥＳであれば、水直噴ポンプ８３を再びオンし、ステップＳ２０４に戻る。こうして、水量を再び増加し、空気供給不足後の回復動作として、燃料電池スタック１を迅速に冷却し、燃料電池スタック１の性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【００５３】
ステップＳ２０５でＮＯであれば、ステップＳ２０７に進み、抽出単セルについて、単セル電圧が空気供給不足発生電圧（０．３Ｖ）以下になったか否かを判断する。ステップＳ２０７でＹＥＳであれば、ステップＳ２０１に戻り、ステップＳ２０７でＮＯであれば、図３に示す検知処理ルーチンのステップＳ１０８に戻る。
【００５４】
このような手順により、実施例１の燃料電池システム１００は、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【００５５】
また、この燃料電池システム１００では、ステップＳ１１１で水素供給不足と正確に判断され、燃料電池スタック１の回復困難な性能低下や故障を回避することもできる。
【００５６】
次に、上述した実施例１の燃料電池システム１００を自動車に搭載した状態で、確認試験を実施した。測定結果を図６及び図７に示す。
【００５７】
図６及び図７は、各単セル１０（単セルの総数ｐ＝４）の電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ４（ｍ）を検出し、時間の経過によって、どのように変化するかを示したグラフである。Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ４（ｍ）の時間の経過による変化を曲線Ｇ１、Ｇ２、…Ｇ４により示す。図７では、燃料電池スタック１から出力される電流は、時間の経過に合わせて、階段状に増加するよう、制御装置４によって制御されている。このため、各単セル１０の電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ４（ｍ）は、基本的には階段状に減少する傾向を有している。
【００５８】
ここで、例えば、グラフ中の時刻ｔ１、ｔ２において、各単セル１０のうち、曲線Ｇ４に示す単セル１０は、空気供給不足が顕著に生じている状態である。他方、曲線Ｇ１〜Ｇ３に示す単セル１０は、空気供給不足が殆ど生じていない状態である。そして、曲線Ｇ４から解るように、空気供給不足が生じた単セル１０では、電圧が急降下し、回復しない傾向を示す。このため、この測定結果に対して上述の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１４を適用すれば、空気供給不足と判定されることとなる。
【００５９】
以上において、本発明を実施例１に即して説明したが、本発明は上記実施例１に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例１の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図２】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの積層体の模式断面図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの検知処理ルーチンのフローチャートである。
【図４】実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの検知処理ルーチンのフローチャートである。
【図５】実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの空気供給不足対策ルーチンのフローチャートである。
【図６】実施例１の燃料電池システムに係り、経過時間と燃料電池スタックの各単セル電圧との関係を示すグラフである。
【図７】実施例１の燃料電池システムに係り、経過時間と燃料電池スタックの各単セル電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１０…単セル
１…燃料電池スタック
５０、５１〜５４、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６３、６４…燃料供給装置（５０…水素タンク、５１〜５４…配管、６１ａ…水素元電磁弁、６１ｂ…水素供給圧レギュレータ、６１ｃ…水素供給電磁弁、６３…水素排気電磁弁、６４…水素循環電磁弁）
４１、４２…空気供給装置（４１…空気吸入ファン、４２…空気マニホールド）
４…制御装置
１００…燃料電池システム
Ｓ１０２、Ｓ１０３…単セル電圧検出手段
Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）…単セル電圧
Ｓ１０４、Ｓ１０５…電圧降下速度比較手段
ｄＶｃ１（ｍ）、ｄＶｃ２（ｍ）、…、ｄＶｃｐ（ｍ）…算出電圧降下速度
Ｓ１０６、Ｓ１０７…電圧比較手段
０．３（Ｖ）…空気供給不足発生電圧
Ｓ２０３…空気量増加手段
８３、９８、９９…冷却装置（８３…水直噴ポンプ、９８…配管、９９…水噴射ノズル）
Ｓ２０２…冷媒量制御手段
９０ａ…温度センサ（温度検出装置）
０（Ｖ）…燃料供給不足発生電圧
Ｓ１１４…停止手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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