(57)【要約】    【課題】  燃料電池の運転中に生成される水がアノード極側に移動することを抑制し、滞留した水の凍結を確実に防止する。    【解決手段】  燃料電池（１）を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１）に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２２）と、燃料電池（１）の発電量に基づいて定まる酸化ガスの理論供給量よりも多い供給量の酸化ガスを燃料電池（１）に供給させる制御手段（２）と、を備えることを特徴とする。理論供給量より多い供給量で酸化ガスを供給するので、カソード極側で生成される水分を除去し続けることができ、水分がアノード極側へ移動することを防止する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給量が前記燃料電池の発電量に基づいて定まる酸化ガスの理論供給量より多くなるように酸化ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給量は、前記燃料電池の運転環境によって定まる最大酸化ガス供給量である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の運転環境とは、前記燃料電池の内部温度、外気温度、冷媒温度、及び酸素ガス供給系の湿度からなる群から選ばれる１以上の要素である、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電電圧が所定のしきい値以下となった場合に、前記燃料電池への酸化ガスの供給量を前記理論供給量に戻す、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
酸化ガスの供給通路に設けられ、前記酸化ガスの湿度を変更する加湿器と、
前記加湿器をバイパスするバイパス通路と、
前記酸化ガスの供給を、前記加湿器が設けられた前記供給通路側または前記バイパス通路側のいずれかの通路に切替可能な切替手段と、
前記燃料電池の発電量に基づいて前記切替手段が切り替える通路を制御する制御手段とを備え、
前記バイパス通路には、当該バイパス経路に供給される酸化ガスを乾燥させる乾燥手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に冷媒を供給する冷却装置と、
前記燃料電池より排出された前記冷媒の温度を低下させる冷却手段と、
前記燃料電池の発電量に基づいて前記冷却手段の冷却量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【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、特にカソード極側の生成水の滞留を防止可能な構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池はその電気化学反応の過程で水分を生成する。従来、このような水分を排出するために、例えば、特開平７−２３５３２４号公報には、燃料電池のカソード表面の濡れすぎをインピーダンスから検知し、その濡れすぎが検知されると、カソード側に供給される酸素ガスの流量を増加させる技術が提案されていた（特許文献１）。この処理によって、運転中に水分が過剰になって、燃料電池が出力低下を起こし、一時的に運転効率が低下することを防止できていた。
【０００３】
また、特開２００１−２２９９３８号公報には、運転性を低下させることなく燃料電池スタックで生成した水を排出するために、車両が減速状態のときに流量制御弁を開いて、燃料電池にパージガスとして酸素含有ガスと水素含有ガスとを供給する技術が開示されている（特許文献２）。
【０００４】
また特開２００２−２０８４２１号公報には、燃料電池の通常運転停止後、燃料電池の酸素曲に乾燥酸素を供給するとともに水素極に乾燥水素を供給する技術が開示されている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報（段落番号０００５、要約書）
【特許文献２】特開２００１−２２９９３８号公報
【特許文献３】特開２００２−２０８４２１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、上記特許文献１または２に開示された技術はいずれも、発電効率を低下させない程度に燃料電池のカソード極表面の水分を除去するものに過ぎず、カソード極からアノード極側に水分が移動することを制限することが困難であった。このため、燃料ガス供給系で、滞留した水分が運転停止時に凍結する可能性があった。
【０００６】
また特許文献３は減速状態における水分除去をしてはいるが、これも通常運転時にカソード極の過剰水分を除去するものではないため、運転中の生成水がカソード極からアノード極に移動することを許していた。このため、燃料ガス供給系に水分が溜まり、運転停止時に凍結してしまうおそれがあった。
【０００７】
そこで、本発明は燃料電池の運転中に生成される水がアノード極側に移動することを制限し、滞留した水の凍結を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、燃料電池に供給される酸化ガスの供給量が燃料電池の発電量に基づいて定まる酸化ガスの理論供給量より多くなるように酸化ガス供給手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、酸化ガス供給手段が、本来の燃料電池の発電において必要な酸化ガスの理論供給量より多い供給量で酸化ガスを供給するので、燃料電池の運転中にカソード極側で生成される水分を除去し続けることができ、水分がアノード極側へ移動することを抑制することができる。このためアノード極側において燃料ガスの供給・循環系に水分が滞留して凍結することを抑制することができる。
【００１０】
ここで「酸化ガス」は燃料電池における電気化学反応に寄与する酸素を含むガスの総称であり、例えば空気である。
また「供給量」は流量や圧力量を示す。
【００１１】
ここで酸化ガスの供給量を変更する代わりに、酸化ガスの乾燥能力（すなわち湿度）を上昇させたり、燃料電池内における湿度を変更するように構成してもよい。例えば供給される酸化ガスの湿度を直接的に低下させたり冷却液の温度を上昇させたりしても、燃料電池におけるカソード極表面から水分が持ち去られやすくなり、アノード極側への水分移動が抑制できる。
【００１２】
具体的に、燃料電池に供給する酸化ガスの供給量は、燃料電池の運転環境によって定まる最大酸化ガス供給量であることが好ましい。燃料電池には正常な電圧で発電が可能な適正な湿度の範囲があり、この湿度の範囲からカソード側に供給可能な酸化ガスの供給量の最大量がある。この構成によれば、適正な発電を維持できる範囲で最大の酸化ガス供給量を選択するので、正常運転の範囲で最も水分滞留の可能性が少ない運転状態を維持できる。
【００１３】
ここで、燃料電池の運転環境とは、燃料電池の内部温度、外気温度、冷媒温度、及び酸素ガス供給系の湿度からなる群から選ばれる１以上の要素である。これらの要素は、燃料電池のカソード極表面の乾燥許容量（湿度）と関連する要素だからである。
【００１４】
ここで、制御手段は、燃料電池の発電電圧が所定のしきい値以下となった場合に、燃料電池への酸化ガスの供給量を理論供給量に戻すことは好ましい。理論供給量より大きな供給量の酸化ガスを供給する場合、カソード極表面が許容度を超えて乾燥し発電電圧が低下することがある。この構成によれば、発電電圧が低下したことによって過剰な乾燥を検知し、乾燥させる強度を弱めるように理論供給量に戻されるので、発電性能を低下させることが無い。
【００１５】
なお、しきい値以上となった場合に理論供給量に戻す他、理論供給量まで戻さずそれまでの供給量より若干低下させるだけでも、発電電圧を回復できる。
【００１６】
また本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、酸化ガスの供給通路に設けられ、前記酸化ガスの湿度を変更する加湿器と、加湿器をバイパスするバイパス通路と、前記酸化ガスの供給を、前記加湿器が設けられた前記供給通路側または前記バイパス通路側のいずれかの通路に切替可能な切替手段と、燃料電池の発電量に基づいて前記切替手段が切り替える通路を制御する制御手段とを備え、バイパス通路には、当該バイパス経路に供給される酸化ガスを乾燥させる乾燥手段を備えていることを特徴とする。
【００１７】
酸化ガスの湿度に対応してカソード極表面からの水分持ち去り能力が変更される。一方、燃料電池の発電量は、カソード極表面が乾燥しているか否かに対応している。上記構成によれば、制御手段は、この燃料電池の発電量に応じて、加湿器が設けられた供給通路か、乾燥手段が設けられたバイパス通路かを切り替えるので、燃料電池のカソード極表面の湿度を適正な範囲に維持することができる。
【００１８】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池に冷媒を供給する冷却装置と、燃料電池より排出された前記冷媒の温度を低下させる冷却手段と、燃料電池の発電量に基づいて前記冷却手段の冷却量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
燃料電池内部の温度に対応して燃料電池内部の飽和水蒸気量が変化し、カソード極表面からの水分持ち去り能力が変更される。上記構成によれば、制御手段は、この燃料電池の発電量に応じて、冷媒の温度に影響する冷却量を制御するので、燃料電池のカソード極表面の湿度を適正な範囲に維持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
そこで、本発明は燃料電池の発電量に基づいて定まる酸化ガスの理論供給量よりも多い供給量の酸化ガスを燃料電池に供給するよう構成したので、カソード極が乾燥側で運転される。このため、燃料電池の運転中に生成される水がアノード極側に移動することを制限し、滞留した水の凍結すること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】
【００２１】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。
【００２２】
（実施形態１）
図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図１に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック１に燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス系統１０と、酸化ガスとしての空気を供給するための酸化ガス系統２０と、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却系統３０とを備えて構成されている。
【００２３】
燃料電池スタック１は、水素ガス、空気、冷却液の流路を有するセパレータ及び一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）から構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極（燃料極）及びカソード極（空気極）の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極であるアノード極側には燃料ガスである水素ガスが供給され、陽極であるカソード極側には酸素を含んだ酸化ガス（空気）が供給され、アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-  …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  …（２）
式（２）から判るように、カソード極側では、燃料電池システムの運転時には常に水分が生成される。本発明はこの生成された水分を除去する点に特徴がある。燃料電池スタック１は個々が上記のような反応を生ずる単セルが直列あるいは並列に多数接続されており、そのアノード極とカソード極との間に所定の電圧（例えば５００Ｖ）を発生させる。各単セルの電圧は図示しない電圧センサにより検出電圧Ｖｃとして取り出されるようになっている。
【００２４】
燃料ガス系統１０は、水素タンク１１から燃料電池スタック１にかけて、元弁（タンク開閉弁またはタンク遮断弁）ＳＶ１、調圧弁ＲＧ、及び燃料電池入口遮断弁ＳＶ２を備え、燃料電池スタック１の出口からは、燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、気液分離器１２及び気液分離器用遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、及び逆止弁ＲＶを備えている。水素ポンプ１３の上流側では水素オフガスの排出経路が設けられており、排出経路上にパージ遮断弁ＳＶ５が設けられている。
【００２５】
水素タンク１１には高圧水素ガスが充填されている。水素タンクとしては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。元弁ＳＶ１は水素ガスを供給路に供給するか遮断するかが選択される。調整弁ＲＧは、水素タンク１１からの高圧水素ガスをタンク内圧より低くなるように調整（減圧）する。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２や出口遮断弁ＳＶ３は、燃料電池の発電停止時等に閉鎖される。気液分離器１２は、通常運転時において燃料電池スタック１の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出する。パージ遮断弁ＳＶ５は、パージ時に開放される。水素ポンプ１３は、水素オフガスを水素ガス供給路（燃料電池スタック１入口側）に強制循環させる。逆止弁ＲＶは、水素ガス供給路側からの逆流を防止する。
【００２６】
酸化ガス系統２０としては、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、本発明の酸化ガス供給手段に係り、取り入れられた空気を制御部２の制御信号に基づいて加圧することによって燃料電池スタック１に供給される空気の供給量（空気流量や空気圧）を変更可能に構成されている。
【００２７】
加湿器２３は加圧された空気と空気オフガスと間で水分の交換を行って適度な湿度を流入した空気に加える。燃料電池スタック１から排出された空気オフガスはマフラー２４に供給されて消音される。なお、図示しない希釈器によって、空気オフガスで水素オフガスを希釈するように構成してもよい。
【００２８】
燃料電池スタック１の冷却系統３０は、ラジエ−タ３１、冷却ファン３２、及び冷却ポンプ３３を備え、冷却液を燃料電池スタック１内部に循環供給するようになっている。
【００２９】
燃料電池スタック１の環境条件を検出するための検知手段として、空気系統２０には、温度センサＳＴ１、燃料ガス系統１０には温度センサＳＴ２、冷却系統３０には温度センサＳＴ３を備え、その検出信号を制御部２に出力するようになっている。
【００３０】
制御部２は本発明の制御手段であり、公知のコンピュータシステムとしての構成を備え、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、当該システムを本発明の燃料ガスシステムとして動作させることが可能になっている。すなわち、次に説明する手順によって、制御部２は、燃料電池スタック１内のカソード極に理論供給量より多い供給量の空気を供給するように制御する。
【００３１】
なお、制御部２は、燃料電池スタック１の要求出力電力と正常な発電電圧を出力可能な最大の空気供給量との関係（図３参照）を、データテーブルとして内部メモリに格納してある。
【００３２】
次に図２のフローチャートを参照しながら本実施形態における動作を説明する。当該燃料電池システムが運転状態である場合、当該フローチャートは電源が投入されている間、適当なインターバルで繰り返し実行される。
【００３３】
まず制御部２は、本発明の空気供給量制御を実施するか否かを判定し（Ｓ１）、実施する場合（ＹＥＳ）、燃料電池スタック１に要求される要求出力電力量を特定する（Ｓ２）。
【００３４】
ステップＳ１の空気供給量を制御するか否かを判定する条件として、例えば、後述するように、単セルの検出電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｔｈよりも大きな場合には、空気供給量制御を実施するように設計可能である。また、他の判定条件の例として、カソード極の生成水量が所定量以上である場合に、空気供給量制御を実施するように設計してもよい。なお、この生成水量は、単セルの発電状態（電圧、電流、抵抗値）、燃料電池の温度、供給ガス圧、供給ガス流量、発電状態の積算値等、各種のパラメータを監視することで間接的に検出することが可能である。
【００３５】
また、ステップＳ２の要求出力電力量を求めるためには、例えば制御部２は図示しないアクセル位置、シフト位置、ブレーキ位置を参照し、図示いない駆動用モータが出力すべきトルクを計算する。そして、図示しないインバータやコンバータにおける電力損失や補機で生じる電力損失をシステム損失として、モータトルクの負荷量に加算し、制御部２はシステム全体に要求される要求出力電力を決定する。
【００３６】
次いで制御部２は、燃料電池スタック１における単セルの検出電圧Ｖｃを参照する（Ｓ３）。単セルの発電電圧が適正である限度において空気の供給量を増加させるのが本発明である。そのため単セルの発電電圧が適正であるか否かを検査するのである。この境界を見極めるため、制御部２にはカソード極側表面の湿度が正常であるか異常であるかを見極め可能な発電電圧をしきい値Ｖｔｈとして登録してある。単セルの検出電圧Ｖｃがこのしきい値Ｖｔｈより大きい場合には（Ｓ３：ＮＯ）、カソード極側表面の湿度が正常発電を維持できる適正範囲と判断し、制御部２は空気の供給量増大処理（Ｓ４〜Ｓ６）に移行する。
【００３７】
すなわち制御部２は、燃料電池スタック１の環境条件として、外気温度を温度センサＳＴ１の検出信号を参照して検出する（Ｓ４）。次いで制御部２は燃料電池の要求出力電力と最大空気供給量との関係を示すデータテーブルを参照し、その時の要求出力電力と環境温度に基づいて最大空気供給量を定める（Ｓ５）。
【００３８】
図３に燃料電池の要求出力電力と最大空気供給量との関係を示す。燃料電池の要求出力電力が増える程、カソード極側で消費される酸化ガスの量が増え、発生する水分の量が増え、理論的に必要とされる空気供給量が増える。このためカソード極側で生成された水分を除去するために余剰に供給される空気の総量も増えていく。また、環境温度（外気温度、水素ガス温度、冷却液温度等）が高いほど水分が蒸発し易くなるため、過剰な乾燥の限度を示す最大空気供給量は低下する傾向があり、逆に環境温度が低いほど水分が蒸発しにくくなり最大空気供給量が増加する傾向にある。制御部２はこのような燃料電池の要求出力電力とそのときの環境温度と最大空気供給量との関係をデータテーブルとして格納しているのである。
【００３９】
なお、図３のようにこれらの関係が数値化可能な関係であれば、燃料電池の要求出力電力と環境温度を変数として代入することで最大空気供給量が求める近似式を設定可能である。この近似式を予め登録して近似式に基づく演算を利用して最大空気供給量を求めてもよい。
【００４０】
最大空気供給量が算出できたら、制御部２はその空気供給量を出力させる回転数でコンプレッサ２２を駆動する制御信号を出力する（Ｓ６）。これに対応して、最大空気供給量で空気が燃料電池スタック１のカソード極に供給され、効果的な水分除去が達成できる。
【００４１】
さて、このように最大空気供給量で空気が供給されていれば、燃料電池スタック１の発電効率を落とさない範囲で、すなわち各単セルのカソード極表面の湿度が適正なイオン交換を可能とする湿度を保有しているのであれば、単セルの発電電圧は落ちないはずである。ところが、設定条件のずれやセンサ異常などが生じた場合、単セルのカソード極表面が乾き過ぎて発電効率が落ちてくることも考えられる。
【００４２】
制御部２はこのような異常な事態を回避するため、ステップＳ３で検出された単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈ以下になった場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、最大空気供給量でのコンプレッサ２２の駆動を停止し、本来の要求出力電力量において必要とされるだけの理論空気供給量でコンプレッサ２２を駆動させる（Ｓ７）。このようにコンプレッサ２２の駆動を一時的に落とせば、再びカソード極表面の湿度が上昇し、単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈを上回るほど回復すれば（Ｓ３：ＮＯ）、再び最大空気供給量による駆動が可能になる（Ｓ４〜Ｓ６）。
【００４３】
したがって、この動作フローチャートによれば、最大空気供給量による空気供給を基本とし、カソード極側が乾きすぎた場合に限り一時的に理論空気量による空気供給が行われることになる。
【００４４】
なお、上記実施形態では、外気温度を環境温度として利用していたが、温度センサＳＴ２で検出される水素ガスの燃料電池入口温度や温度センサＳＴ３で検出される冷却液温度を環境温度として利用してもよい。またこれら複数の温度を加重平均または単純平均して環境温度として利用してもよい。
【００４５】
以上、本実施形態１によれば、要求出力電力量に鑑みて必要な空気の理論供給量より多い供給量で空気が供給されるので、カソード極側で生成される水分を除去し続けることができ、水分がアノード極側へ移動することを防止することができる。このためアノード極側において燃料ガスの供給・循環系に水分が滞留して凍結することを抑制することができる。
【００４６】
また実施形態１によれば、最大空気供給量が供給されるので、正常運転の範囲で最も水分滞留の可能性が少ない運転状態を維持できる。
【００４７】
また実施形態１によれば、単セルの発電電圧がしきい値Ｖｔｈ以下となった場合に、空気の供給量を理論供給量に戻して発電性能を回復させるので、発電性能を維持し続けることができる。
【００４８】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、空気供給系統に乾燥装置を設けた例に関する。上記実施形態１では空気の供給量を理論空気量より増加させて燃料電池に供給していたが、本実施形態２では燃料電池に供給する空気の湿度を低下させるように構成されている。
【００４９】
図４に本実施形態２における燃料電池システムの構成を示す。図４に示すように、本実施形態２では、空気供給系統２０にバイパス路２５が並行して設けられ乾燥装置５０による乾燥処理が実施されるように構成されている。バイパス路２５と空気供給系統２０の本流との分岐点には切り替えバルブ２６が設けられている。バイパス路２５には、乾燥装置５０の凝縮部５１が熱交換可能に設けられている。乾燥装置５０には、凝縮部５１の他にエキスパンションバルブ５２、コンデンサ５３、コンプレッサ５４が設けられている。
【００５０】
切り替えバルブ２６は制御部２の指示に基づいて加湿器２３の系統に空気を流通させるかバイパス路２５に空気を流通させるかを切り替えられるようになっている。冷凍装置５０には冷媒が流通しており、コンプレッサ５４はこの冷媒を圧縮循環させている。コンデンサ５３は、加圧された冷媒の断熱圧縮によって冷媒の温度を下げる。エキスパンションバルブ５２では、この冷媒の供給圧を調整して凝縮部５１に供給する。恐縮部５１は内部を流れるバイパス路２５の空気の水分を奪って乾燥させる。
【００５１】
本実施形態２によれば、図２におけるステップＳ３で、単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈより大きく正常な発電電圧である場合（ＹＥＳ）、切り替えバルブ２６がバイパス路２５側に切り替えられ、コンプレッサ５３が駆動され、供給される空気を乾燥させてカソード極側の水分持ち去り能力を高めた状態で燃料電池スタック１に供給される。
【００５２】
一方、カソード極表面が乾きすぎ、ステップＳ３で単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈ以下となった場合には（ＮＯ）、切り替えバルブ２６が空気供給系統２０の本流側に切り替えられ、コンプレッサ５３が停止されて、理論空気供給量の空気がカソード極側に供給される。理論空気供給量での空気供給により再びカソード極側の湿度が回復し検出電圧Ｖｃが正常に戻ったら、再び乾燥装置による冷却が実施される。
【００５３】
以上、本実施形態２によれば、空気の供給量を理論空気量より大きくする他に、空気の湿度を変化させることによって、上記実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００５４】
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、燃料電池内部の温度を上昇させる例に関する。上記実施形態１では空気の供給量を理論空気量より増加させて燃料電池に供給していたが、本実施形態３では冷却系統３０の冷却液温度を変更可能に構成されている。
【００５５】
図５に本実施形態３における燃料電池システムの構成を示す。図５に示すように、本実施形態３では、冷却系統３０にバイパス路３４が設けられている。バイパス路３４は、ラジエータ３１による空冷をバイパスするように設けられており、ロータリーバルブ３５により、バイパス路３４を流れる冷却液とラジエータ３１を経由してファン３２で空冷される冷却液との流量を連続的に変更可能になっている。ロータリーバルブ３５の開度は制御部２の制御信号に基づいて調整されるようになっている。
【００５６】
本実施形態３によれば、図２におけるステップＳ３で、単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈより大きく正常な発電電圧である場合（ＹＥＳ）、ロータリーバルブ３５がバイパス路３４により多くの冷却液が通過するように開度調整される。バイパス路３４側に多くの冷却液が流れるということは、ラジエータ３１における空冷を受けにくくなって、冷却液の温度が上昇していくことを意味する。冷却液の温度が上がるということは、燃料電池スタック１における単セルの温度が上昇し飽和水蒸気量が増加することになるため、カソード極表面で生成された水分が蒸発し易くなる。つまり生成された水分の持ち去り能力が増大し、水分がアノード極側に移動することが抑制されるのである。
【００５７】
一方、カソード極表面が乾きすぎ、ステップＳ３で単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈ以下となった場合には（ＮＯ）、ロータリーバルブ３５の開度を調整して、より多くの冷却液をラジエータ３１内に流して冷却量を増大させる。冷却液の温度が下がれば単セルが冷却され飽和水蒸気量が低くなって水分が蒸発しにくくなる。このためカソード極表面の湿度が上がる。これによって単セルの検出電圧Ｖｃが正常に戻ったら、再び冷却液の冷却量を低くする処理が実施される。
【００５８】
以上、本実施形態３によれば、冷却液の温度を変化させることによって、上記実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００５９】
なお、図５に示す当該実施形態３の構成では、バイパス路３４を設けて冷却液の温度を変化させていたが、その他の方法によってもよい。例えば、バイパス路３４を設ける変わりに、単セルの検出電圧に応じて、ファン３２に対する駆動信号を変化させラジエータ３１における空冷能力を変更させれば冷却液の温度を調整可能である。
【００６０】
（実施形態４）
本発明の実施形態４は、実施形態２の変形例に属する。本実施形態２では乾燥装置を利用することで空気の湿度を低下させていたが、当該実施形態４では、加湿器２３の有効無効を制御することで、同様の効果を得る。
【００６１】
図６に本実施形態２における燃料電池システムの構成を示す。図６に示すように、本実施形態４では、空気供給系統２０に、加湿器２３をバイパスするようにバイパス路２５が設けられている。バイパス路２５と空気供給系統２０の本流との分岐点には切り替えバルブ２６が設けられている。
【００６２】
上記実施形態２では凝集部による凝集作用によって空気の湿度を下げていたが、本実施形態４では、極度にカソード極表面が乾燥することを防ぐ目的で挿入している加湿器２３の利用の有無によって空気の湿度を調整する。すなわち、図２におけるステップＳ３で、単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈより大きく正常な発電電圧である場合（ＹＥＳ）、切り替えバルブ２６がバイパス路２５側に切り替えられる。この切換で空気は加湿器２３側を通過しなくなるので、空気オフガスに含まれる水分が入力される空気に移動することなく燃料電池スタック１に供給される。これによって比較的乾燥した状態の空気がカソード極表面の生成水を持ち去るようになる。
【００６３】
一方、カソード極表面が乾きすぎ、ステップＳ３で単セルの検出電圧Ｖｃがしきい値Ｖｔｈ以下となった場合には（ＮＯ）、切り替えバルブ２６が空気供給系統２０の本流側に切り替えられ、加湿器２３による加湿が有効にされる。湿度の上がった空気によって再びカソード極側の湿度が回復し検出電圧Ｖｃが正常に戻ったら、再び加湿器２３をバイパスした空気供給が実施される。
【００６４】
以上、本実施形態４によれば、乾燥装置により空気の湿度を下げる他に、加湿器使用の有無を制御することによっても、上記実施形態１や２と同様の作用効果を奏することができる。
【００６５】
特に、本実施形態４によれば、外気から導入された空気を用いてカソード極を乾燥させるので、冬季など比較的外気の湿度が低いような時期に実施する場合に適する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施形態１に係る燃料電池システムのブロック図。
【図２】本実施形態１に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート。
【図３】燃料電池の要求出力電力と最大空気供給量との関係図。
【図４】本実施形態２に係る燃料電池システムのブロック図。
【図５】本実施形態３に係る燃料電池システムのブロック図。
【図６】本実施形態４に係る燃料電池システムのブロック図。
【符号の説明】
【００６７】
ＳＴ１〜３…温度センサ、ＲＧ…調圧弁（レギュレータ）、ＳＶ１…元弁（制御弁）、ＳＶ２…燃料電池入口遮断弁、ＳＶ３…燃料電池出口遮断弁、ＳＶ４、ＳＶ８、ＳＶ９…遮断弁、ＳＶ５…パージ遮断弁、ＲＶ…循環遮断弁、１…燃料電池スタック、２…制御部、１０…燃料ガス供給系統、１１…高圧水素タンク、１２…気液分離器、１３…水素ポンプ、２０…空気供給系統、２１…エアクリーナ、２２…コンプレッサ、２３…加湿器、２４…消音器、２５…バイパス路、２６…切り替えバルブ、３０…冷却系統、３１…ラジエ−タ、３２…ファン、３３…冷却水ポンプ、３４…バイパス路、ロータリーバルブ、５０…乾燥装置、５１…凝集部、５２…エキスパンションバルブ、５３…コンデンサ、５４…コンプレッサ
【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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