(57)【要約】      （修正有）【課題】低温起動時の反応ガス漏洩を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】内部加湿型のスタック、加湿水ポンプ、目標発電量演算手段１０１、加湿水状態検出手段１０２（温度センサ、圧力センサ）を備える。また、加湿水の状態に応じて加湿水の循環可否を判断する加湿水循環可否判断手段１０３と、少なくとも目標発電量と循環可否に応じて目標ガス圧力を演算する目標ガス圧力演算手段１０４、目標ガス圧力に応じてガス圧力を制御するガス圧力制御手段１０５、目標発電量と加湿水循環可否に応じて加湿水ポンプ７を制御する加湿水ポンプ制御手段１０６を備える。加湿水の循環が不可能な場合には、加湿水の循環を停止するとともに、目標ガス圧力を、加湿水の循環が可能な場合に比べて低く設定する。【選択図】      図３
2005063783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部加湿手段を有する燃料電池と、
前記燃料電池に加湿に用いる水を循環させる加湿水循環手段と、
前記燃料電池の目標発電量を演算する目標発電量演算手段と、
前記加湿水の状態を検出する加湿水状態検出手段と、
前記加湿水状態検出手段の出力に応じて加湿水の循環の可否を判断する加湿水循環可否判断手段と、
少なくとも前記目標発電量演算手段と前記加湿水循環可否判断手段の出力に応じて、前記燃料電池の目標ガス圧力を演算する目標ガス圧力演算手段と、
前記目標ガス圧力演算手段の出力に応じてガス圧力を制御するガス圧力制御手段と、
前記目標発電量演算手段と前記加湿水循環可否判断手段の出力に応じて、前記加湿水循環手段を制御する加湿水循環制御手段と、を備え、
前記加湿水循環可否判断手段で、前記加湿水の循環が不可能であると判断された際には、
前記加湿水循環手段による加湿水の循環を停止するとともに、前記目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を、加湿水の循環が可能な場合に比べて低く設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
加湿水循環可否判断手段で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、前記目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を大気圧近傍に設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記内部加湿手段として、前記燃料電池に、ガスに加湿水を供給する加湿水透過板と、前記加湿水透過板に接する加湿水流路と、を備え、
加湿水循環可否判断手段で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、前記目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を前記加湿水透過板の毛細管圧力と所定の関係となるように設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
加湿水循環可否判断手段で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、前記目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を加湿水の循環が可能な場合の目標ガス圧力の所定割合まで低下させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
加湿水循環可否判断手段で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、前記目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を予め定めてある所定値まで低下させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
加湿水循環可否判断手段で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、目標ガス圧力を小さく設定すると同時に、前記燃料電池からの出力を制限する請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿水循環可否判断手段で、加湿水循環の判断が不可能から可能に変化した際には、
まず、前記目標ガス圧力演算手段で、前記目標発電量演算手段の出力に基づいた目標ガス圧力の演算を開始し、その後、加湿水循環制御手段で加湿水循環手段の制御を開始する請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池の発電量制御装置。
【請求項８】
前記加湿水状態検出手段は、加湿水の温度を検出する手段であり、
前記加湿水循環可否判断手段において、加湿水が凍結しているか否かを判断することにより加湿水の循環の可否を判断する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
加湿水の温度を調整する不凍液よりなる冷却水の循環路と、
前記冷却液と加湿水との間で熱交換を行う熱交換部と、を備え、
前記加湿水状態検出手段は、加湿水との熱交換後の冷却水の温度を検出する手段であり、
前記加湿水循環可否判断手段において、冷却水の温度から加湿水の凍結を判断することにより循環の可否を判断する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加湿水状態検出手段は、さらに加湿水の圧力をも検出する手段であり、
加湿水循環可否判断手段で加湿水循環が可能と判断された際には、前記目標発電量演算手段の出力と加湿水の圧力と、に基づいて、ガスと加湿水の差圧を所定範囲に管理するように、前記目標ガス圧力演算手段で目標ガス圧力を設定し、あるいは、前記加湿水循環制御手段で前記加湿水循環手段を制御し、
加湿水循環が不可能と判断された際には、前記差圧管理の制御を中止して、前記目標ガス圧力演算手段において目標ガス圧力を加湿循環可能時より小さく設定する請求項８または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関する。特に低温起動時に、内部加湿機能を備えた燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を防ぐことができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内部加湿機能を備えた燃料電池として、以下のようなものが知られている。
【０００３】
親水性の金属または炭素などの導電性の多孔質体の薄板からなる加湿水透過板と、緻密な金属または炭素からなり冷却水流路の溝を設けた冷却水配流板と、を溝面側を合わせて冷却板を構成する。燃料配流板を親水性の金属または炭素などの導電性で加湿水透過板とは異なる気孔率の多孔質体として、加湿水透過板を介して高分子電解質膜を加湿するようにしている（例えば、特許文献１、参照）。
【特許文献１】特開平６−６８８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような内部加湿機能を備えた燃料電池において低温起動を行う場合、加湿水が凍結している間は加湿用の純水を外部から供給することができないため、反応ガスのみを流通して発電を行い、純水解凍後に加湿用純水を流通させる制御がなされる。しかしながら、この加湿水解凍時に反応ガス圧力を通常通りに設定すると、発電による発熱でスタック内部の加湿水の一部が溶け出した場合に反応ガスと加湿水の差圧が大きくなる。その結果、反応ガスが外部に漏れる可能性が生じる。
【０００５】
そこで本発明は、低温起動時の反応ガスの漏洩を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
内部加湿手段を有する燃料電池と、前記燃料電池に加湿に用いる水を循環させる加湿水循環手段と、前記燃料電池の目標発電量を演算する目標発電量演算手段と、前記加湿水の状態を検出する加湿水状態検出手段を備える。また、前記加湿水状態検出手段の出力に応じて加湿水の循環の可否を判断する加湿水循環可否判断手段と、少なくとも前記目標発電量演算手段と前記加湿水循環可否判断手段の出力に応じて、前記燃料電池の目標ガス圧力を演算する目標ガス圧力演算手段と、を備える。さらに、前記目標ガス圧力演算手段の出力に応じてガス圧力を制御するガス圧力制御手段と、前記目標発電量演算手段と前記加湿水循環可否判断手段の出力に応じて、前記加湿水循環手段を制御する加湿水循環制御手段を備える。前記加湿水循環可否判断手段で、前記加湿水の循環が不可能であると判断された際には、前記加湿水循環手段による加湿水の循環を停止するとともに、前記目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を、加湿水の循環が可能な場合に比べて低く設定する。
【発明の効果】
【０００７】
加湿水の循環が不可能であると判断された際には、加湿水循環手段による加湿水の循環を停止するとともに、目標ガス圧力演算手段において、目標ガス圧力を、加湿水の循環が可能な場合に比べて低く設定する。これにより、燃料電池内で、反応ガスと加湿水の差圧を小さくすることができるので、反応ガスの漏洩を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。
【０００９】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタック１を備える。燃料ガスとしては、高圧タンク等の水素貯蔵手段２に貯蔵された水素ガスを用いる。また、酸化剤ガスとしては、空気を用いる。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスとしてはこの限りではなく、例えば、燃料ガスとしては改質装置により改質された水素含有ガス、酸化剤ガスとしては酸素等を用いることもできる。
【００１０】
また、燃料電池スタック１のカソード１ｃ側に空気を供給するコンプレッサ３を備える。カソード１ｃの下流側には、空気の圧力、流量を調整するスロットル５を備える。また、燃料電池スタック１のアノード１ａ側に供給する高圧水素の流量を制御する可変バルブ４を備える。アノード１ａの下流側には、排出された燃料排ガスを外部にパージするか否かを選択するパージ弁６を備える。さらに、燃料排ガスを再びアノード１ａの上流側に還流させるイジェクタ８を備える。
【００１１】
ここで、燃料電池スタック１を内部加湿機能を有する燃料電池とする。図２に燃料電池スタック１の概略を示す。
【００１２】
電解質膜２０５をガス拡散層２０６で狭持し、さらにその外側から多孔質体よりなるセパレータ２０７、２０８で狭持する。セパレータ２０７、２０８のガス拡散層２０６に対峙する面には、アノードガス流路２０３、カソードガス流路２０４を構成し、反応ガスを反応面に供給する。さらにその外側には、加湿水透過板２０２を介して、緻密な金属または炭素からなり水チャネル２０１の溝を設けた冷却水配流板２０９を備える。
【００１３】
このような燃料電池スタック１に加湿用の純水を供給するために、図１に示すように純水循環路１９を備える。また、純水循環路１９に純水を循環させる純水ポンプ７を備える。さらに、純水循環路１９に循環させる純水の貯蔵手段となる純水タンク２０を備える。燃料電池システム停止時や、停止時に低温環境下に晒される可能性があると判断された場合には、純水系の純水を純水タンク２０に回収する。ここでは水チャネル２０１内の水を回収する。また、純水系に、図示しないヒータ、ラジエータ等を備え、温度調整した純水を循環させることにより燃料電池スタック１の温度を調整可能に構成する。また、燃料電池スタック１から排出される排ガス中の水分を分離して純水タンク２０に回収する水セパレータ等を備えてもよい。
【００１４】
また、燃料電池スタック１から出力を取り出す駆動ユニット９を備える。さらに、燃料電池スタック１の入口空気圧力を検出する空気圧力センサ１０、入口水素圧力を検出する水素圧力センサ１１を備える。また、燃料電池スタック１の入口空気流量を検出する空気流量センサ１２、入口水素流量を検出する水素流量センサ１３を備える。また、純水の温度を検出する加湿水温度センサ１７、圧力を検出する加湿水圧力センサ１８を備える。ここでは、加湿水温度センサ１７を純水タンク２０内に備え、純水が凍結しているか否かを判断可能に構成する。また、加湿水圧力センサ１８を、燃料電池スタック１の入口側に配置することにより、燃料電池スタック１に供給される純水の圧力を検出可能とする。また、燃料電池スタック１から取り出した出力の電圧を検出する電圧センサ１５、電流を検出する電流センサ１６を備える。このような各種センサの出力を読み込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ１４を備える。
【００１５】
このような燃料電池システムにおいて、通常運転時には、コンプレッサ３により圧縮された空気が燃料電池スタック１に送り込まれる。また、高圧水素は可変バルブ４で流量制御され、イジェクタ８で発電に用いられた燃料排ガスである還流と合流して、燃料電池スタック１に送り込まれる。
【００１６】
また、加湿水ポンプ７で純水を燃料電池スタック１に循環させることにより、燃料電池スタック１の温度調整を行うと共に、燃料電池スタック１内の空気および水素を加湿する。燃料電池スタック１内に備えた水チャネル内の圧力と、空気および水素流路との圧力バランスにより、空気および水素の加湿を行う。燃料電池スタック１では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電力を車両等の外部システムへ供給する。燃料電池スタック１で反応に利用した残りの空気は、燃料電池スタック１の外部に排出され、スロットル５を介して大気に排出される。また、反応に使用した残りの水素は、イジェクタ８を介して燃料電池スタック１の上流側に還流されて発電に用いるか、パージ弁６を介して燃料電池スタック１から排出される。この選択は、所定時間、または、燃料電池スタック１に供給される燃料ガス中の窒素濃度等により制御する。
【００１７】
いま、加湿水温度センサ１７、加湿水圧力センサ１８から、加湿水の状態をコントローラ１４に読み込む。また、空気圧力センサ１０、空気流量センサ１２から、燃料電池スタック１に供給される空気圧力・流量を、水素圧力センサ１１、水素流量センサ１３から、供給される水素圧力・流量を検出し、コントローラ１４に読み込む。さらに、電圧センサ１５、電流センサ１６から燃料電池スタック１から取り出す電圧・電流値を検出し、コントローラ１４に読み込む。コントローラ１４では、読み込んだ各値が、その時の目標発電量から決まる所定の目標値となるように、コンプレッサ３、スロットル５、可変バルブ４を制御する。また、目標値に対して実際に実現されている圧力流量に応じて、燃料電池スタック１から駆動ユニット９へ取り出す出力を指令し制御を行う。また、コントローラ１４において、加湿水ポンプ７の駆動指令値を出力して加湿水を循環させ、燃料電池スタック１内部で空気・水素を加湿する。
【００１８】
次に、燃料電池スタック１を流通する加湿水および反応ガス圧力の制御方法について説明する。図３に、本制御の概略を示す。
【００１９】
燃料電池スタック１の目標発電量を演算する目標発電量演算手段１０１を備える。これは例えば、燃料電池システムを車両に搭載した場合などには、アクセルペダル開度、車速等から求めることができる。また、加湿水の状態を検出する加湿水状態検出手段１０２を備える。ここでは、加湿水状態として、加湿水温度センサ１７、加湿水圧力センサ１８を用いて加湿水の温度および圧力を検出する。また、加湿水状態検出手段１０２の出力に基づいて、加湿水の循環の可否を判断する加湿水循環可否判断手段１０３を備える。さらに、目標発電量演算手段１０１と、加湿水状態検出手段１０２、加湿水循環可否判断手段１０３の出力に基づいて、燃料電池スタック１内の目標ガス圧力を演算する目標ガス圧力演算手段１０４を備える。また、目標ガス圧力演算手段１０４の出力に基づいて反応ガスの圧力制御を行うガス制御手段１０５を備える。ここでは、スロットル５、可変バルブ４の開度を制御することにより反応ガスの圧力を調整する。さらに、目標発電量演算手段１０１と加湿水循環可否判断手段１０３の出力に基づいて加湿水を循環させる加湿水ポンプ７の制御を行う加湿水ポンプ制御手段１０６を備える。
【００２０】
次に、このような制御系の具体的な制御方法を、図４に示したフローチャートを用いて説明する。本フローは、所定時間、例えば１０ｍｓ毎に繰り返し行う。
【００２１】
ステップＳ３０１において、目標発電量TPOWERを演算する。ステップＳ３０２において、目標発電量TPOWERに基づいて目標電流値TCURRENTを演算する。
【００２２】
次に、ステップＳ３０３において、加湿水の実圧力PPWを検出する。ここでは、加湿水圧力センサ１８の出力を読み込む。または、加湿水ポンプ７の回転数により加湿水圧力を推定してもよい。ステップＳ３０４において、通常運転時の基本目標ガス動作点（ガス圧力TPR１、流量値TQGAS）を演算する。ここでは、加湿水の実圧力PPWに応じて、加湿水と反応ガスとの圧力差が所定範囲以内となるように反応ガス圧力TPR1を設定し、さらに、反応ガス圧力をTPR1に設定した際に目標電流値TCURRENTを取り出せるように反応ガス流量TQGASを設定する。ここで、圧力差の所定範囲を、加湿水のシール機能により、燃料電池スタック１内で反応ガスが漏洩するのを防ぐことができる圧力差範囲とする。ステップＳ３０５において、加湿水が循環可能か否かを表すフラグfRECIRCLEを演算する。ここで、フラグfRECIRCLEの演算方法を、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００２３】
ステップＳ４０１において、加湿水の温度TPWを検出する。ここでは加湿水温度センサ１７の出力を読み込む。ステップＳ４０２において、加湿水温度TPWと所定値TFREEZE１を比較する。ここで、所定値TFREEZE１は、加湿水の凍結を判断する温度、例えば−３℃とする。加湿水温度TPW≧所定値TFREEZE１の場合には、加湿水の循環が可能であると判断して循環可否を表すフラグfRECIRCLEを１に設定する。一方、加湿水温度TPW＜所定値TFREEZE１の場合には、加湿水の循環が不可能であると判断して循環可否を表すフラグfRECIRCLEを０に設定する。
【００２４】
このようにフラグfRECIRCLEを設定したら、ステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、フラグfRECIRCLEが１であるか否かを判断する。フラグfRECIRCLEが１の場合には、加湿水の循環が可能であると判断して、ステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７において、目標ガス圧力TPRとしてTPR１を採用する。つまり、加湿水が循環可能な場合には、目標発電量TPOWERや目標電流TCURRENTに応じて反応ガスの圧力および流量を設定する。次に、ステップＳ３０８において、目標発電量TPOWER、あるいは目標電流TCURRENTに応じて加湿水ポンプ７の指令値を設定する。
【００２５】
一方、ステップＳ３０６において、フラグfRECIRCLEが０の場合には、ステップＳ３０９に進む。ステップＳ３０９において、加湿水が循環不可能である場合の目標ガス圧力TPR２を演算する。目標ガス圧力TPR２をTPR１より低い値とする。ここでは、加湿水が循環不可能である場合の目標ガス圧力TPR２を、加湿水透過板２０２の毛細管圧力（PCAPI）に基づいて設定する。例えば、ΔTPRを所定値として、TPR２＝PCAPI+ΔTPRとする。
【００２６】
ステップＳ３１０において、目標ガス圧力TPRにTPR２を代入する。ステップＳ３１１において、加湿水ポンプ７を停止する。
【００２７】
このように、ステップＳ３０８またはステップＳ３１１において、加湿水ポンプ７の回転数を設定したら、ステップＳ３１２に進む。ステップＳ３１２において、反応ガスの圧力、流量制御を実行する。つまり、コンプレッサ３の負荷、スロットル５の開度を制御することにより、カソード１ｃ内の空気を目標ガス圧力TPRに調整する。また、可変バルブ４の開度を制御することにより、アノード１ａ内の燃料ガスを目標ガス圧力TPRに調整する。ステップＳ３１３において、各センサ１０〜１３を用いて、反応ガスの実圧力（PR）、実流量（QGAS）を検出する。ステップＳ３１４において、検出したガスの実圧力や実流量に基づき、燃料電池スタック１から取り出す出力の制限値（TPOWERlim）を演算する。例えば、加湿水循環が不可能である場合には、目標ガス圧力が通常より小さく設定されるので、燃料電池スタック１で発電反応が生じ難くなる。そこで、燃料電池スタック１の出力を制限することにより、異常な電圧低下による燃料電池スタック１の劣化を避けることができる。
【００２８】
ステップＳ３１５において出力制限を実行する。ここでは、例えば、目標発電量TPOWERと制限値TPOWERlimを比較して、小さい方を燃料電池スタック１の出力として選択する。このように、燃料電池スタック１の出力を設定したら、本フローを終了する。
【００２９】
次に、このような制御を行った場合のタイミングチャートを図６に示す。なお、比較例として、図７に従来の燃料電池システムを用いた場合のタイミングチャートを示す。
【００３０】
起動時に加湿水が凍結していることを判断した場合には、加湿水を加湿水ポンプ７で循環できない可能性が高いため、加湿水の流量をゼロとする。発電に伴う熱により加湿水が加温・解凍され、所定の温度まで上昇したら、通常の加湿水の流量制御を開始する。図７に示すように、従来の燃料電池システムにおいては、起動時の目標発電量（例えばアイドル発電量）で発電を開始する際に目標ガス圧力TPRを通常値TPR1に設定するため、ガスと加湿水の差圧が大きくなる。加湿水が凍結している時にはよいが、発電による発熱で燃料電池スタック１内の加湿水透過板２０２の部分で加湿水が溶けると、差圧が大きいことによりこの加湿水透過板２０２を介して反応ガスが水チャネル２０１側へ漏れる。その結果、加湿水タンク２０などを経由して燃料ガスが車外に放出される可能性がある。
【００３１】
これに対して図６に示すように本実施形態では、加湿水が凍結している可能性のある起動時に、通常よりも反応ガスの圧力を低く設定する。これにより反応ガスと加湿水の差圧を小さくし、加湿水透過板２０２の部分で加湿水が溶けても加湿水側に燃料ガスが漏れてくることを防止できる。このように反応ガスの圧力を抑制した場合に、通常の目標発電量を発電できる場合にはそのようにするが、それができない場合には、反応ガスの圧力を低く設定している期間は燃料電池スタック１からの出力電力も抑制する。
【００３２】
なお、本実施形態では、加湿水が循環不可能である場合の目標ガス圧力TPR２は、加湿水透過板の毛細管圧力（PCAPI）に基づいて設定しているがこの限りではない。例えば、通常時の目標ガス圧力TPR１に所定の割合α（＜１）を掛けてTPR２＝TPR１×αとしてもよい。または、目標ガス圧力TPR２を、反応ガスの漏洩が生じない値として予め実験等により求めてある所定値TPREXPにより、TPR２=TPREXPとしてもよい。さらには、加湿水の循環が不可能である場合の目標ガス圧力TPR２を大気圧、または大気圧近傍の所定値としてもよい。
【００３３】
また、内部加湿機能を備えた燃料電池スタック１において、水素及び空気の加湿を行うとしているが、この限りではなく、どちらか一方のみを加湿する場合にも適用できる。この場合には、水チャネルからの加湿が行われる反応ガスについてのみ上述したような圧力制御を行う。また、ここでは空気および水素の圧力・流量を調整して反応ガス漏れを抑制しているが、ガスの漏洩が問題となる水素ガスの圧力・流量を設定し、これに応じて空気の圧力・流量を制御してもよい。さらに、ここでは目標ガス圧力TPRを空気および水素の圧力としているが、空気および水素それぞれについて目標ガス圧力TPRAIR、TPRH2を設定してもよい。
【００３４】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３５】
内部加湿手段を有する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に加湿に用いる水を循環させる加湿水ポンプ７を備える。ここでは内部加湿手段として水チャネル２０１と加湿水透過板２０２を備えた燃料電池スタック１を用いる。また、燃料電池スタック１の目標発電量（TPOWERまたはTCURRENT）を演算する目標発電量演算手段１０１と、加湿水の状態を検出する加湿水状態検出手段１０２を備える。加湿水状態検出手段１０２としては、加湿水温度センサ１７と、加湿水圧力センサ１８を備える。また、加湿水状態検出手段１０２の出力に応じて加湿水の循環の可否を判断する加湿水循環可否判断手段１０３と、少なくとも目標発電量演算手段１０１と加湿水循環可否判断手段１０３の出力に応じて、燃料電池スタック１の目標ガス圧力TPRを演算する目標ガス圧力演算手段１０４を備える。さらに、目標ガス圧力演算手段１０４の出力に応じてガス圧力を制御するガス圧力制御手段１０５を備える。目標発電量演算手段１０１と加湿水循環可否判断手段１０３の出力に応じて、加湿水ポンプを制御する加湿水ポンプ制御手段１０６を備える。加湿水循環可否判断手段１０３で、加湿水の循環が不可能であると判断された際には、加湿水ポンプ７による加湿水の循環を停止するとともに、目標ガス圧力演算手段１０４において、目標ガス圧力TPRを、加湿水の循環が可能な場合に比べて低く設定する（TPR2）。これにより、反応ガスと加湿水の差圧を小さくすることができるので、反応ガス漏れを抑制することができる。
【００３６】
例えば、加湿水循環可否判断手段１０３で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、目標ガス圧力演算手段１０４において、目標ガス圧力TPRを大気圧近傍に設定する。これにより、加湿水側を大気開放するだけで、ガス圧力と加湿水圧力の差圧を容易に小さくすることができ、反応ガス漏れを抑制することができる。
【００３７】
または、加湿水循環可否判断手段１０３で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、目標ガス圧力演算手段１０４において、目標ガス圧力TPRを加湿水透過板２０２の毛細管圧力と所定の関係となるように設定する。これにより、目標ガス圧力TPRを精度よく設定することができ、その結果、起動時に加湿水を流していない期間の発電に伴う発熱で加湿水の一部が溶けたとしても、ガスと加湿水の差圧によって燃料ガスが外部に漏れるのを防止することができる。
【００３８】
または、加湿水循環可否判断手段１０３で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、目標ガス圧力演算手段１０４において、目標ガス圧力を加湿水の循環が可能な場合の目標ガス圧力の所定割合（α＜１）まで低下させる。これにより、目標ガス圧力TPRを通常運転時よりも十分に低く設定することができ、その結果、起動時に加湿水を流していない期間の発電に伴う発熱で加湿水の一部が溶けたとしても、ガスと加湿水の差圧によって燃料ガスが外部に漏れることを防止することができる。
【００３９】
または、加湿水循環可否判断手段１０３で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、目標ガス圧力演算手段１０４において、目標ガス圧力TPRを予め定めてある所定値まで低下させる。これにより、目標ガス圧力TPRを十分に低く設定することができ、その結果、起動時に加湿水を流していない期間の発電に伴う発熱で加湿水の一部が溶けたとしても、ガスと加湿水の差圧によって燃料ガスが外部に漏れることを防止することができる。
【００４０】
また、加湿水循環可否判断手段１０３で加湿水の循環が不可能と判断されている間は、目標ガス圧力TPRを小さく設定すると同時に、燃料電池スタック１からの出力TPOWERを制限する。ここでは、TPOWERlimを制限値とする。これにより、加湿水が凍結している期間の発電により燃料電池スタック１が劣化や損傷を生じるのを防止できる。
【００４１】
加湿水循環可否判断手段１０３で、加湿水循環の判断が不可能から可能に変化した際には、まず、目標ガス圧力演算手段１０４で、目標発電量演算手段１０１の出力に基づいた目標ガス圧力TPR1の演算を開始し、その後、加湿水ポンプ制御手段１０６で加湿水ポンプ７の制御を開始する。これにより、ガス圧力PRと加湿水圧力PPWの差圧を過大にすることなく、滑らかに通常運転状態に移行することができる。
【００４２】
また、加湿水状態検出手段１０２として、加湿水の温度TPWを検出する加湿水温度センサ１７を用いる。加湿水循環可否判断手段１０３において、加湿水が凍結しているか否かを判断することにより加湿水の循環の可否を判断することができる。
【００４３】
さらに、加湿水状態検出手段１０２として、加湿水の圧力をも検出する加湿水圧力センサ１８手段を用いる。加湿水循環可否判断手段１０３で加湿水循環が可能と判断された際には、目標発電量演算手段１０１の出力と加湿水の圧力PPWと、に基づいて、反応ガスと加湿水の差圧を所定範囲に管理するように、目標ガス圧力演算手段１０４で目標ガス圧力TPRを設定し（TPR1）、あるいは、加湿水ポンプ制御手段１０６で加湿水ポンプ７を制御する。加湿水循環が不可能と判断された際には、差圧管理の制御を中止して、目標ガス圧力演算手段１０４において目標ガス圧力TPRを加湿循環可能時より小さく設定する（TPR2）。これにより、起動時の発電に伴う発熱で加湿水の一部が溶けたとしても、反応ガスと加湿水の差圧によって燃料ガスが外部に漏れることを防止することができると同時に、通常運転時は、燃料電池スタック１を損傷させることなく効率良く発電を行うことができる。
【００４４】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
燃料電池システムの構造を図８に示す。ここでは純水ポンプ７により燃料電池スタック１に純水を循環させる純水系と、循環する純水の温度を調整する冷媒系を備える。冷媒系には、不凍液の循環路である冷媒循環路２１と、不凍液を冷媒循環路２１に循環させる不凍液ポンプ２２、純水系との熱交換を行う熱交換部２３を備える。ここでは、熱交換部２３を、純水タンク２０内に貯蔵された純水との熱交換を行うように構成する。さらに、冷媒系には、図示しない加熱手段としてのヒータと、冷却手段としてのラジエータを備え、不凍液温度を調整可能に構成する。
【００４６】
熱交換部２３において、温度調整した不凍液と、純水系を流通する純水との間で熱交換を行うことにより、純水、ひいては燃料電池スタック１の温度を調整する。ここでは、熱交換部２３において純水と不凍液との間で十分に熱交換可能となるように構成とする。つまり、熱交換部２３から排出された不凍液は、純水の温度、ここでは純水タンク２０に貯蔵された純水温度と同じ程度となる。そこで、熱交換部２３から排出される不凍液の温度を検出する不凍液温度センサ２４を備える。純水凍結時など純水温度を検出できない状態が生じた場合には、この不凍液温度センサ２４の出力を純水温度とすることができる。
【００４７】
次に、このような燃料電池システムの制御方法について説明する。燃料電池システムにおけるメインルーチンを、第１の実施形態と同様、図４に示す。
【００４８】
加湿水が凍結した際には、凍っている加湿水の温度を検出できない場合が生じる。このような場合において、本実施形態では、ステップＳ３０５における加湿水循環可否判断フラグfRECIRCLEの演算を、図９に示すフローチャートに従って行う。
【００４９】
ステップＳ８０１において、不凍液温度TLLCを検出する。ここでは不凍液温度センサ２４の出力を読み込む。次に、ステップＳ８０２において、不凍液温度TLLCと所定値TFREEZE２の比較を行う。ここで、所定値TFREEZE２は、不凍液が所定値TFREEZE２未満で加湿水に凍結が生じる可能性があると判断できる温度であり、例えば、−３℃とする。ステップＳ８０２において不凍液温度TLLC≧所定値TFREEZE２の場合には、加湿水の循環可能と判断して循環可否を表すフラグfRECIRCLEを１に設定する。一方、不凍液温度TLLC＜所定値TFREEZE２の場合には、加湿水の循環不可と判断して循環可否を表すフラグfRECIRCLEを０に設定する。以下、第１の実施形態と同様とする。
【００５０】
なお、ここでは、冷媒系は純水系との熱交換を行うことにより間接的に燃料電池スタック１の温度を調整可能としているがこの限りではない。例えば、冷媒系を構成する冷媒循環路２１を燃料電池スタック１内に構成することにより、不凍液により直接燃料電池スタック１の温度を調整可能に構成してもよい。
【００５１】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５２】
加湿水の温度を調整する不凍液よりなる冷却水の不凍液ポンプ２２と、冷却液と加湿水との間で熱交換を行う熱交換部２３と、を備える。加湿水状態検出手段１０２として、加湿水との熱交換後の冷却水の温度を検出する不凍液温度センサ２４用いる。加湿水循環可否判断手段１０３において、冷却水の温度TLLCから加湿水の凍結を判断することにより循環の可否を判断する。これにより、純水が凍結した際にも純水の凍結を判断することができる。
【００５３】
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、内部加湿機能を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムに適用することができる。特に、多孔質プレートを用いて水チャネルを構成した固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる燃料電池スタックの概略構成図である。
【図３】第１の実施形態の反応ガス・加湿水圧力制御を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態における燃料電池システム制御のフローチャートである。
【図５】第１の実施形態における加湿水循環可否判断フラグ演算のフローチャートである。
【図６】第１の実施形態における反応ガス・加湿水状態の時間変化を示す図である。
【図７】従来の燃料電池システムにおける反応ガス・加湿水状態の時間変化を示す図である。
【図８】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】第２の実施形態における加湿水循環可否判断フラグ演算のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１    燃料電池スタック(燃料電池)
４    開閉バルブ
５    スロットル
７    加湿水ポンプ（加湿水循環手段）
１７  加湿水温度センサ（加湿水状態検出手段）
１８  加湿水圧力センサ（加湿水状態検出手段）
２４  不凍液温度センサ（加湿水状態検出手段）
１０１  目標発電量演算手段
１０２  加湿水状態検出手段
１０３  加湿水循環可否判断手段
１０４  目標ガス圧力演算手段
１０５  ガス制御手段
１０６  加湿水ポンプ制御手段（加湿水循環制御手段）
２０１  水チャネル（加湿水流路）
２０２  加湿水透過板
S301、S302・・・目標発電量演算手段
S303、S401・・・加湿水状態検出手段
S402、S403、S404・・・加湿水循環可否判断手段
S304、S307、S309、S310・・・目標ガス圧力演算手段
S312・・・ガス制御手段
S308、S311・・・加湿水循環制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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