(57)【要約】【課題】酸化剤極側からの排出ガスによって燃料極側からの排出ガスの希釈を行いつつも、燃料電池を湿潤状態に制御する。【解決手段】制御部４０は、燃料電池スタック１の反応に必要な含水状態を基準として、この燃料電池スタック１の乾燥状態を推定する。また、制御部４０は、燃料電池スタック１の発電状態に応じて設定される運転圧力に基づいて、空気調圧弁２３およびコンプレッサ２１の回転数を制御することにより、酸化剤極に供給される空気圧力を制御する。この場合、制御部４０は、燃料電池スタック１が乾燥していると推定した場合には、酸化剤極に供給される空気圧力が運転圧力よりも大きくなるように、供給される空気圧力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池の酸化剤極側から排出される排出ガスを外部に排出するとともに、前記燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを希釈して排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記燃料電池をバイパスして、前記酸化剤ガス供給流路側から前記酸化剤ガス排出流路側に前記酸化剤ガスが流れるバイパス流路と、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記燃料電池の反応に必要な含水状態を基準として、当該燃料電池の乾燥状態を推定する推定手段と、
前記燃料電池の発電状態に応じて設定される運転圧力に基づいて、前記圧力調整手段を制御することにより、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を制御する圧力制御手段とを有し、
前記圧力制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が乾燥していると推定された場合には、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力が前記運転圧力よりも大きくなるように、前記圧力調整手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、前記燃料電池が乾燥している程、前記酸化剤極に供給される前記酸化剤ガスの圧力が前記運転圧力よりも大きくなるように、前記圧力調整手段を制御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】
前記圧力制御手段は、前記燃料電池を構成する部品の性能に応じて設定される上限圧力の範囲内において、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を前記運転圧力よりも大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧力制御手段は、前記燃料電池に要求される負荷の時間変化率が大きい場合には、前記燃料電池に要求される負荷の時間変化率が小さい場合と比較して、前記上限圧力を小さく設定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記温度検出手段によって検出される前記燃料電池の温度が高い程、前記燃料電池が乾燥していると推定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
システムの停止時間を測定する停止時間測定手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記停止時間測定手段によって測定される前記システムの停止時間が長い程、前記燃料電池が乾燥していると推定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
システムの起動後の経過時間を測定する経過時間測定手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記経過時間測定手段によって測定される前記システムの起動後の経過時間が長い程、前記燃料電池が湿潤傾向に推移していると推定することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池を構成する電解質膜の抵抗値を検出する抵抗値検出手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記抵抗値検出手段によって検出される前記電解質膜の抵抗値が大きい程、前記燃料電池が乾燥していると推定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】
前記燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスの湿度を検出する湿度検出手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記湿度検出手段によって検出される前記排出ガスの湿度が低い程、前記燃料電池が乾燥していると推定することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの湿度を検出する湿度検出手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記湿度検出手段によって検出される前記酸化剤ガスの湿度が低い程、前記燃料電池が乾燥していると推定することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出手段と、
前記バイパス流路に設けられ、自己の開閉状態に応じて、前記酸化剤ガスの流れを遮断可能な開閉手段とをさらに有し
前記圧力制御手段は、前記発電電流検出手段によって検出される前記発電電流に基づいて、前記開閉手段の開閉状態をさらに制御することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出手段をさらに有し、
前記圧力制御手段は、前記発電電流検出手段によって検出される前記発電電流に基づいて、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力が前記運転圧力よりも大きくなるように、前記圧力調整手段を制御するか否かを決定することを特徴とする請求項１から１０のいずれか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、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力制御に関する。
【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が知られている。この類の燃料電池のうち、固体高分子型の燃料電池では、プロトン導電性電解質としての機能を確保すべく、燃料電池に水を供給して固体高分子膜を飽和含水状態に維持する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、次のような手法が開示されている。燃料電池に持ち込まれる流入水量に、発電によって生成される生成水量を加算した値から、燃料電池の酸化剤極側の排出ガスによって外部に持ち出される流出水量を減算することにより、収支水量が計算される。そして、この収支水量に基づいて、空気流量を制御することにより、燃料電池を構成する電解質膜が湿潤状態となるように制御される。
【特許文献１】特開２００４−１１９０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムには、燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを、酸化剤極側から排出される排出ガスで希釈して排出するシステムがある。このシステムでは、燃料極側からの排出ガスを希釈するために、酸化剤極側に供給する酸化剤ガスの流量に下限値が存在する。そのため、燃料極側からの排出ガスを希釈するために必要な酸化剤ガスの供給流量が、発電に必要な酸化剤ガスの供給流量よりも多い場合があり、この場合には、燃料電池を通過する酸化剤ガスの流量が多いため、燃料電池から持ち出される水分量が増加し、燃料電池を湿潤状態に制御することが困難となる可能性がある。また、このようなケースにおいて、燃料極に供給される燃料ガスの圧力が増加した場合には、燃料ガスの排出量も増加する。そのため、燃料極側からの排出ガスの希釈に必要な酸化剤ガスの流量もこれに応じて増えるため、燃料電池を湿潤状態に制御することがさらに困難となる可能性がある。
【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、酸化剤極側からの排出ガスによって燃料極側からの排出ガスの希釈を行いつつも、燃料電池を湿潤状態に制御することである。
【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、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、バイパス流路と、圧力調整手段と、推定手段と、圧力制御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。酸化剤ガス供給流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極側から排出される排出ガスを外部に排出するとともに、燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを希釈して排出する。バイパス流路は、燃料電池をバイパスして、酸化剤ガス供給流路側から酸化剤ガス排出流路側に酸化剤ガスが流れる。圧力調整手段は、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する。推定手段は、燃料電池の反応に必要な含水状態を基準として、この燃料電池の乾燥状態を推定する。圧力制御手段は、燃料電池の発電状態に応じて設定される運転圧力に基づいて、圧力調整手段を制御することにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を制御する。この場合、圧力制御手段は、推定手段によって燃料電池が乾燥していると推定された場合には、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力が運転圧力よりも大きくなるように、圧力調整手段を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池が乾燥している場合には、供給される酸化剤ガスの圧力が運転圧力よりも大きくなるように制御されるため、燃料電池から持ち出される水分量が運転圧力時のそれよりも減少する。そのため、燃料電池の乾燥傾向が抑制され、電解質膜を湿潤状態に制御することができる。また、供給される酸化剤ガスの圧力を増加させることにより、バイパス流路を流れる酸化剤ガスの流量が増加するため、燃料電池側に流れる酸化剤ガスの流量を増やさずとも、希釈空気流量を確保することができる。これにより、電解質膜を最適な湿潤状態に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載されている。
【０００９】
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（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これ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、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電力を発生する。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を用いるケースについて説明する。
【００１０】
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と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。
【００１１】
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵された状態から、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１１によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧弁１１は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部４０によってその開度が制御される。
【００１２】
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ガス）は、水素循環流路Ｌ2へと排出される。この水素循環流路Ｌ2は、他方の端部が水素調圧弁１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ1に接続されている。水素循環流路Ｌ2には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極側からの排出ガスはその供給側へと循環され、燃料電池スタック１における反応効率の向上を図ることができる。
【００１３】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、水素系内のガスを排出する水素排出流路Ｌ3が接続されている。水素排出流路Ｌ3には、パージ弁１３が設けられており、このパージ弁１３の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ2を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージ弁１３は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部４０によって制御される。パージ弁１３は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。
【００１４】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気が空気供給装置２０によって取り込まれると、これがコンプレッサ２１によって加圧され、空気供給流路Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ5を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ5には、空気調圧弁２３が設けられている。空気調圧弁２３は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御部４０によって制御される。
【００１５】
また、本実施形態において、酸化剤ガス供給流路Ｌ4のコンプレッサ２１よりも下流側と、酸化剤ガス排出流路Ｌ5の空気調圧弁２３の下流側との間には、燃料電池スタック１をバイパスして、酸化剤ガス供給流路Ｌ4側から酸化剤ガス排出流路Ｌ5側に空気が流れるバイパス流路Ｌ6が設けられている。このバイパス流路Ｌ6には、自己の開閉状態に応じて、空気の流れを遮断可能なバイパス弁２４が設けられている。バイパス弁２４の開閉状態は、後述するように、制御部４０によって制御される。また、空気排出流路L5には、バイパス流路Ｌ6との接続部位よりも下流側に、水素排出流路Ｌ3の端部が接続されている。これにより、水素排出流路Ｌ3を介して排出される燃料極側からの排出ガスは、空気排出流路Ｌ5を流れる排出ガスによって希釈されて大気へと放出される。
【００１６】
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷媒（本実施形態では、冷却水）が循環するスタック冷却流路Ｌ7，Ｌ8を有しており、このスタック冷却流路Ｌ7，Ｌ8には、冷媒を冷却するラジエータ３１と、冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ３２とが設けられている。ラジエータ３１によって冷却された冷媒は、冷媒循環ポンプ３２を駆動することにより、冷却流路Ｌ7を介して、燃料電池スタック１側へと供給される。スタック冷却流路Ｌ7，Ｌ8は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘り冷却されるようになっている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷媒は、冷却流路Ｌ8を経由して、ラジエータ３１へと再度供給される。冷媒循環ポンプ３２の駆動量（回転数）は、スタック冷却流路Ｌ7，Ｌ8を循環する冷媒の温度が所望の値となるように、制御部４０によって制御される。
【００１７】
制御部４０は、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。この制御部４０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、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の運転状態を制御する。この制御部４０には、燃料電池スタック１の運転状態を検出するために、センサ４１〜４４，４８を含む各種センサからの検出信号が入力されている。ここで、水素圧力センサ４１は、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の圧力を検出するセンサであり、水素供給流路Ｌ1の燃料電池スタック１の入口付近に設けられている。流量計４２は、コンプレッサ２１から供給される空気の流量を検出するセンサであり、空気供給流路Ｌ4の空気供給装置２０とコンプレッサ２１との間に設けられている。空気圧力センサ４３は、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を検出するセンサであり、空気供給流路Ｌ4の燃料電池スタック１の入口付近に設けられている。スタック温度センサ４４は、燃料電池スタック１の温度（以下「スタック温度」という）を検出するセンサであり、例えば、燃料電池スタック１に取り付けられている。なお、例えば、燃料電池スタック１から流出する冷媒の温度を検出することにより、スタック温度を検出してもよい。電流計４８は、燃料電池スタック１の発電電流を検出するセンサである。
【００１８】
本実施形態との関係において、制御部４０は、その主たる特徴として、空気供給の制御を行う。具体的には、制御部４０は、燃料電池スタック１の反応に必要な含水状態を基準として、燃料電池スタック１（特に、酸化剤極）の乾燥状態を推定する。また、制御部４０は、運転圧力に基づいて、空気調圧弁２３を制御することにより、酸化剤極に供給される空気の圧力を制御する。この運転圧力は、燃料電池スタック１の発電状態に応じて設定される圧力であり、燃料電池スタック１の運転状況に拘わらず一定の固定値、或いは、燃料電池スタック１から取り出す出力や温度に応じて設定される可変圧、或いは、燃料極に供給される水素圧力に応じて設定される圧力のことである。この場合、制御部４０は、燃料電池スタック１が乾燥していると推定した場合には、酸化剤極に供給される空気圧力が運転圧力よりも大きくなるように制御する。
【００１９】
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおける空気供給制御について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態にかかる空気供給制御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、所定周期毎に呼び出され、制御部４０によって実行される。なお、初期的には、バイパス弁２４は閉状態に設定されている。
【００２０】
まず、ステップ１０において、電流計４８によって検出される燃料電池スタック１の発電電流Ｉeが読み込まれる。読み込まれた発電電流Ｉeは、制御部４０の記憶領域に格納され、これにより、従前に記憶されていたデータ（発電電流Ｉe）が更新される。なお、制御部４０の記憶領域には、２サイクル分の発電電流Ｉeが格納されるようになっており、最も古いデータが現在読み込まれたデータによって更新される。そのため、制御部４０の記憶領域には、本サイクルにおいて読み込まれた発電電流Ｉeと、前回のサイクルにおいて読み込まれた発電電流Ｉeとが格納されていることとなる。
【００２１】
ステップ１１において、本サイクルにおいて読み込まれた発電電流Ｉeが、第１の電流判定値Ｉth1よりも小さいか否かが判定される。この第１の電流判定値Ｉth1は、バイパス弁２４によってバイパス流路Ｌ6を遮断するか否かを判定するための閾値である。通常、酸化剤極に供給される空気流量は、水素排出流路Ｌ3からの水素を希釈するために必要な空気流量（以下「希釈空気流量」という）と、燃料電池スタック１の発電に必要な空気流量（以下「発電空気流量」という）とを比較し、その値が大きい方に決定される。希釈空気流量と、発電空気流量とは、実験やシミュレーションを通じて、発電電流Ｉeに応じた最適値がそれぞれ決定されている。発電電流Ｉeが大きいケースでは、発電空気流量が希釈空気流量を上回るため、燃料電池スタック１からの排出空気のみによって希釈を十分に行うことができるため、バイパス流路Ｌ6を開放する必要ない。一方で、発電電流Ｉeが小さいケースでは、希釈空気流量が発電空気流量を上回るため、燃料電池スタック１には過剰な空気が供給されることとなり、乾燥傾向となる。そのため、バイパス流路Ｌ6を開放し、供給される空気の一部をバイパスさせることにより、燃料電池スタック１に過剰な空気を供給することなく、希釈空気を確保する必要がある。したがって、第１の電流判定値Ｉth1は、バイパス流路Ｌ6を遮断したままでも、すなわち、バイパス流路Ｌ6を開放して希釈用の空気流量を確保せずとも、排出水素の希釈が行えるような発電電流Ｉeの下限値が、希釈空気流量と発電空気流量との関係から実験やシミュレーションを通じて設定されている。
【００２２】
ステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、発電電流Ｉeが第１の電流判定値Ｉth1よりも小さい場合には、ステップ１２に進み、バイパス弁２４が開状態に制御される。一方、ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、発電電流Ｉeが第１の電流判定値Ｉth1以上の場合には、ステップ１３に進み、バイパス弁２４が閉状態に制御される。
【００２３】
ステップ１４において、発電電流Ｉeが第２の発電電流判定値Ｉth2よりも小さいか否かが判定される。この第２の発電電流判定値Ｉth2は、燃料電池スタック１の乾燥状態に応じて空気圧力の調整を行うか否かを判定するための閾値である。すなわち、このステップ１４では、発電電流Ｉeと第２の発電電流判定値Ｉth2とを比較することにより、燃料電池スタック１の発電に伴い生成される生成水の量が多いか否かが判定される。そのため、この第２の電流判定値Ｉth2は、発電能力が確保できる程度に、生成水の量が多いと認められるような発電電流Ｉeの下限値が、実験やシミュレーションを通じて予め決定されている。
【００２４】
このステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、発電電流Ｉeが第２の発電電流判定値Ｉth2よりも小さい場合には、ステップ１５に進む。一方、ステップ１４において否定判定された場合、すなわち、発電電流Ｉeが第２の発電電流判定値Ｉth2以上の場合には、ステップ１５以降の処理をスキップして、後述するステップ２３に進む。
【００２５】
ステップ１５において、スタック温度センサ４４によって検出されるスタック温度Ｔcが読み込まれる。
【００２６】
ステップ１６において、乾燥圧力Ｐdが算出される。一般に、同一温度の環境下において、ある圧力状態（以下「第１の圧力」という）の気体に含まれる水蒸気量は、この第１の圧力よりも高い圧力状態の気体に含まれる水蒸気量よりも多くなる。すなわち、燃料電池スタック１に供給される空気圧力が高い程、燃料電池スタック１からの排出ガスに含まれる水分量が少なくなる。そのため、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある場合には、供給する空気圧力を増加させることにより、燃料電池スタック１から持ち出される水分量が減少し、燃料電池スタック１の乾燥を抑制することができる。このような観点から、ステップ１６では、燃料電池スタック１の乾燥状態に応じて、燃料電池スタック１の乾燥を抑制する、具体的には、電解質膜の乾燥を抑制するような空気圧力が乾燥圧力Ｐdとして算出される。
【００２７】
スタック温度Ｔcは燃料電池スタック１の乾燥状態と相関がある。そこで、制御部４０には、発電電流Ｉeおよびスタック温度Ｔcに対応する乾燥圧力Ｐdの関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして格納されている。この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の発電電流Ｉe毎に、スタック温度Ｔcを変化させながら、燃料電池スタック１の乾燥が抑制されるような空気の供給圧力（乾燥圧力Ｐd）を予め取得することにより、作成することができる。図３は、ある発電電流Ｉeにおける、スタック温度Ｔcと、乾燥圧力Ｐdとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、乾燥圧力Ｐdは、スタック温度Ｔcが大きくなる程、すなわち、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、その値が大きくなる。また、この場合、乾燥圧力Ｐdは、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気圧力が、通常の運転圧力よりも大きくなるようになっている。このステップ１６では、内部データを参照した上で、スタック温度Ｔcと発電電流Ｉeとに基づいて、乾燥圧力Ｐdを算出する。
【００２８】
ステップ１７において、燃料電池スタック１による発電電流Ｉeの時間変化率（以下「電流変化率」という）ｄIe／ｄtが算出される。電流変化率ｄIe／ｄtは、記憶領域を参照し、本サイクルにおいて読み込まれた発電電流Ｉeから、前回のサイクルにおいて読み込まれた発電電流Ｉeを減算し、この減算された値を制御サイクルの実行周期で除算することにより算出される。
【００２９】
ステップ１８において、上限圧力Ｐmaxが算出される。この上限圧力Ｐmaxは、燃料電池スタック１に供給される空気圧力のうち、燃料電池スタック１を構成する部品の性能等で決まる空気圧力の上限値であり、電流変化率ｄIe／ｄtに応じて可変的に設定される。制御部４０には、電流変化率ｄＩe／ｄtに対応する上限圧力Ｐmaxの関係が規定されたマップ或いは計算式を実験やシミュレーションを通じ予め所得した上で、これが内部データとして格納されている。図４は、電流変化率ｄＩe／ｄtと上限圧力Ｐmaxとの対応関係を示す説明図である。この対応関係において、上限圧力Ｐは、電流変化率ｄIe／ｄtが大きい程、その値が小さくなるような傾向となっている。制御部４０は、内部データを参照した上で、ステップ１７において算出された電流変化率ｄIe／ｄtに基づいて、上限圧力Ｐmaxを算出する。
【００３０】
ステップ１９において、乾燥圧力Ｐdが上限圧力Ｐmaxよりも小さいか否かが判定される。このステップ１９において肯定判定された場合、すなわち、乾燥圧力Ｐdが上限圧力Ｐmaxよりも小さい場合には（Ｐd＜Ｐmax）、ステップ２０に進む。一方、ステップ１９において否定判定された場合、すなわち、乾燥圧力Ｐdが上限圧力以上の場合には（Ｐd≧Ｐmax）、ステップ２１に進む。
【００３１】
ステップ２０において、燃料電池スタック１に供給される空気圧力の目標値である目標圧力Ｐoが乾燥圧力Ｐdに設定される。一方、ステップ２１では、目標圧力Ｐoが上限圧力Ｐmaxに設定される。そして、ステップ２１に続くステップ２２において、制御部４０は、燃料電池スタック１に対する冷却量の増加制御を行う。例えば、制御部４０は、冷媒循環ポンプ３２の回転数を増加させて、冷媒の循環流量を増やすといった如くである。
【００３２】
ステップ２３において、空気圧力センサ４３によって検出される、燃料電池スタック１に供給される空気圧力（以下「入口圧力」という）Ｐinが読み込まれる。
【００３３】
ステップ２４において、燃料電池スタック１に供給される空気圧力の圧力制御が行われる。この圧力制御では、目標圧力Ｐoと、入口圧力Ｐinとに基づいて、コンプレッサ２１の回転数とともに、空気調圧弁２３の開度が制御される。具体的には、入口圧力Ｐinがフィードバックされ、この値が目標圧力Ｐo近づくように、コンプレッサ２１の回転数とともに、空気調圧弁２３の開度が設定される。なお、ステップ２０またはステップ２１において、目標圧力Ｐoが設定されていない場合、すなわち、ステップ１４において否定判定されたケースでは、このステップ２４では、目標圧力Ｐoに通常の運転圧力を設定した上で、これを行う。
【００３４】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気供給流路Ｌ4と、空気排出流路Ｌ5と、バイパス流路Ｌ6と、圧力調整手段と、推定手段と、圧力制御手段とを主体に構成されている。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガス（本実施形態では、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（本実施形態では、空気）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。空気供給流路Ｌ4は、燃料電池スタック１に空気を供給する。空気排出流路Ｌ5は、燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出される排出ガスを外部に排出するとともに、燃料電池スタック１の燃料極側から排出される排出ガスを希釈して排出する。バイパス流路Ｌ6は、燃料電池スタック１をバイパスして、空気供給流路Ｌ4側から空気排出流路Ｌ5側に空気が流れる流路である。圧力調整手段は、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を調整する手段であり、本実施形態では、コンプレッサ２１と空気調圧弁２３とがこれに該当する。推定手段は、燃料電池スタック１の反応に必要な含水状態を基準として、この燃料電池スタック１の乾燥状態を推定するものであり、本実施形態では、制御部４０がこの機能を担う。圧力制御手段は、燃料電池スタック１の発電状態に応じて設定される運転圧力に基づいて、圧力調整手段を制御することにより、酸化剤極に供給される空気圧力を制御するものであり、本実施形態では、制御部４０がこの機能を担う。この場合、圧力制御手段である制御部４０は、燃料電池スタック１が乾燥していると推定した場合には、酸化剤極に供給される空気圧力が運転圧力よりも大きくなるように、圧力調整手段を制御する。
【００３５】
かかる構成によれば、燃料電池スタック１、具体的には、これを構成する電解質膜が乾燥している場合には、供給される空気圧力が運転圧力よりも大きくなる。供給される空気圧力を増加させた場合には、増加させる以前の状態と比較して、燃料電池スタック１から持ち出される水分量が減少する。そのため、燃料電池スタック１が乾燥している場合には、供給される空気圧力を増加させることにより、乾燥傾向が抑制され、電解質膜を湿潤状態に制御することができる。これにより、燃料電池システムを効率良く運転することが可能となり、その耐久性を向上させることができる。さらに、酸化剤極側から排出される空気で、燃料極側から排出される水素の希釈をしているシステムでは、供給される空気圧力を増加させることにより、バイパス流路Ｌ6を流れる流量が増加するため、燃料電池スタック１側に流れる空気流量を増やさずとも、希釈空気流量を確保することができる。これにより、電解質膜を最適な湿潤状態に制御することができるので、燃料電池システムを効率良く運転することができるとともに、その耐久性を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施形態において、圧力制御手段である制御部４０は、燃料電池スタック１が乾燥している程、酸化剤極に供給される空気圧力が運転圧力よりも大きくなるように、圧力調整手段を制御する。これにより、燃料電池スタック１の乾燥状態に応じて、供給される空気圧力を制御することができるので、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００３７】
本実施形態において、圧力制御手段である制御部４０は、所定の上限圧力Ｐmaxの範囲内において、酸化剤極に供給される空気圧力を運転圧力よりも大きくしている。これにより、供給される空気圧力が上がり過ぎてしまうといった事態を抑制することができる。そのため、燃料電池スタック１を構成する部品の性能などで決まる運転圧力の上限値を超えることなく燃料電池システムを運転することができる。
【００３８】
本実施形態において、圧力制御手段である制御部４０は、燃料電池スタックに要求される負荷の時間変化率（電流変化率ｄIe／ｄt）が大きい場合には、上限圧力Ｐmaxを小さい値に設定する。過渡運転時、すなわち、電流変化率ｄIe／ｄtが大きい場合には、圧力制御の誤差が大きくなることが考えられるが、この誤差を考慮して空気圧力の上限値を小さい値に設定することで、過渡運転時でも部品の性能などで決まる運転圧力の上限値を超えることなく燃料電池システムを運転することができる。
【００３９】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度Ｔcを検出するスタック温度センサ（温度検出手段）４４をさらに有している。ここで、推定手段である制御部４０は、スタック温度センサ４４によって検出されるスタック温度Ｔcが高い程、燃料電池スタック１が乾燥していると推定する。燃料電池スタック１のスタック温度Ｔcと、燃料電池スタック１との乾燥状態とは相関があるため、スタック温度Ｔcから、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することができる。これにより、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００４０】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電電流Ｉeを検出する電流計（発電電流検出手段）４８と、バイパス流路Ｌ6に設けられ、自己の開閉状態に応じて、空気の流れを遮断可能なバイパス弁（開閉手段）２４とをさらに有している。ここで、圧力制御手段である制御部４０は、電流計４８によって検出される発電電流Ｉeに基づいて、バイパス弁２４の開閉状態をさらに制御する（図２に示すステップ１１〜１３）。希釈空気流量と、発電空気流量との大小関係は、発電電流Ｉeに依存する。そのため、この発電電流Ｉeに基づいて、バイパス弁２４の開閉状態をさらに制御することにより、適切な状況で、すなわち、燃料電池スタック１を通過する空気流量が発電空気流量よりも多い状況で、バイパス流路Ｌ6へと空気をバイパスさせることができる。これにより、電解質膜を最適な湿潤状態に制御することができるので、燃料電池システムを効率良く運転することができるとともに、その耐久性を向上させることができる。
【００４１】
さらに、本実施形態において、圧力制御手段である制御部４０は、電流計４８によって検出される発電電流Ｉeに基づいて、酸化剤極に供給される空気圧力が運転圧力よりも大きくなるように、圧力調整手段を制御するか否かを決定する（図２に示すステップ１４）。燃料電池スタック１の発電による生成水量は、発電電流Ｉeが大きい程多くなる傾向にある。そのため、発電電流Ｉeに基づいて圧力制御を行うことにより、発電による生成水量が少ない場合に限定して、供給される空気圧力を運転圧力よりも大きくすることが可能となる。これにより、燃料電池スタック１の酸化剤極と燃料極とに差圧が生じる時間を最小限に抑えることができるため、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、乾燥圧力Ｐdの算出方法である。本実施形態の基本的なシステム構成は、第１の実施形態のそれと同じであり、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。なお、この第２の実施形態にかかる燃料電池システムにおいて、制御部４０は、燃料電池システムがシステムを停止してから次回に起動するまでの経過時間をシステム停止時間Ｔstopとして測定しているとともに、システムが起動してからの経過時間をシステム経過時間Ｔstartとして測定している。
【００４３】
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ３０〜ステップ３３において、第１の実施形態におけるステップ１０〜ステップ１３と同様に、発電電流Ｉeが読み込まれ、この発電電流Ｉeと第１の電流判定値Ｉth1との比較結果に応じてバイパス弁２４が開閉制御される。そして、ステップ３４において、第１の実施形態におけるステップ１４と同様に、発電電流Ｉeと第２の電流判定値Ｉth2との比較結果に応じて、乾燥圧力Ｐdの算出処理へと進む。
【００４４】
ステップ３５において、スタック温度センサ４４によって検出されるスタック温度Ｔcが読み込まれる。ステップ３６において、乾燥圧力（暫定値）Ｐd0が算出される。具体的には、第１の実施形態におけるステップ１６と同様に、制御部４０には、発電電流Ｉeおよびスタック温度Ｔcに対応する乾燥圧力Ｐdの関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして格納されている。この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の発電電流Ｉe毎に、スタック温度Ｔcを変化させながら、燃料電池スタック１の乾燥が抑制されるような空気の供給圧力（乾燥圧力Ｐd）を予め取得することにより、作成することができる。この内部データにおいて、乾燥圧力Ｐdは、スタック温度Ｔcが大きくなる程、すなわち、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、その値が大きくなる。また、この場合、乾燥圧力Ｐdは、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気圧力が、通常の運転圧力よりも大きくなるようになっている。このステップ３６では、内部データを参照した上で、スタック温度Ｔcと発電電流Ｉeとに基づいて、乾燥圧力（暫定値）Ｐd0が算出される。
【００４５】
ステップ３７において、補正値Ｃが算出される。燃料電池スタック１の乾燥状態は、システム停止時間Ｔstopと相関があり、一般に、システム停止時間が長い程、燃料電池スタック１は乾燥している傾向にある。そのため、その後にシステムを起動した場合には、システム停止時間Ｔstopが長い程、燃料電池スタック１は、乾燥傾向が強く、システム停止時間Ｔstopが短い程、乾燥傾向が弱くなる。また、システム起動後は、燃料電池スタック１における反応に伴い生成水が発生するため、その乾燥状態は、起動直後の状態と比べて、乾燥が抑制される傾向となる。そこで、この補正値Ｃにより、燃料電池スタック１の乾燥状態の推定に、上述したスタック温度Ｔcとともに、システム停止時間Ｔstopを加味する。
【００４６】
図６は、システム停止時間Ｔstopおよびシステム起動後停止時間Ｔstartと、補正値Ｃとの関係を示す説明図である。制御部４０には、システム停止時間Ｔstopおよび起動後経過時間Ｔstartに対応する補正値Ｃの関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして記憶領域に格納されている。この内部データにおいて、補正値Ｃ（Ｃ≧１）は、システム停止時間Ｔstopが大きい程、その値が大きくなる傾向を有しており、また、起動後システム経過時間Ｔstartが大きい程、その値が小さくなる傾向を有している。このような対応関係は、システム停止時間Ｔstopおよびその後の経過時間Ｔstartに応じて、適切な乾燥圧力Ｐdを実現するための補正値Ｃの関係が、実験やシミュレーションを通じて予め取得されている。制御部４０は、内部データを参照した上で、システム停止時間Ｔstopとシステム経過時間Ｔstartとに基づいて、補正値Ｃを算出する。
【００４７】
ステップ３８において、補正値Ｃと、乾燥圧力（暫定値）Ｐd0とに基づいて、補正乾燥圧力Ｐdが算出される。この補正乾燥圧力Ｐdは、ステップ３６において算出された乾燥圧力（暫定値）Ｐd0が補正値Ｃによって補正されることにより算出される値であり、本実施形態では、乾燥圧力（暫定値）Ｐd0に補正値Ｃを乗算することにより算出される。
【００４８】
ステップ３９，４０において、第１の実施形態のステップ１７，１８と同様に、電流変化率ｄIe／ｄtと、また、上限圧力Ｐmaxが算出される。ステップ４１において、乾燥圧力Ｐdと上限圧力Ｐmaxとが比較され、この結果に応じて、目標圧力Ｐoが乾燥圧力Ｐdまたは上限圧力Ｐmaxに設定される（ステップ４２またはステップ４３）。そして、ステップ４４において、第１の実施形態におけるステップ２２と同様に、燃料電池スタック１に対する冷却量の増加制御を行う。ステップ４５，４６において、第１の実施形態におけるステップ２３，２４と同様に、入口圧力Ｐinが読み込まれ、供給空気の圧力制御が行われる。
【００４９】
このように本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、システムの停止時間を測定する停止時間測定手段をさらに有している。本実施形態において、停止時間測定手段は、制御部４０によってその機能が実行される。この場合、推定手段である制御部４０は、測定されたシステムの停止時間Ｔstopが長い程、燃料電池スタック１が乾燥していると推定する。システム停止時間Ｔstopと、燃料電池スタック１との乾燥状態とは相関があるため、このシステム停止時間Ｔstopから、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することができる。これにより、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００５０】
また、本実施形態において、燃料電池システムは、システムの起動後の経過時間Ｔstartを測定する経過時間測定手段をさらに有している。本実施形態において、経過時間測定手段は、制御部４０によってその機能が実行される。この場合、推定手段である制御部４０は、システムの起動後の経過時間Ｔstartが長い程、燃料電池スタック１が湿潤傾向に推移していると推定する。システムの起動後の経過時間Ｔstartと、燃料電池スタック１との乾燥状態とは相関があるため、このシステムの起動後の経過時間Ｔstartから、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することができる。これにより、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図である。本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第３の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、乾燥圧力Ｐdの算出方法である。本実施形態の基本的なシステム構成は、第１の実施形態のそれと同じであり、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。なお、この第３の実施形態にかかる燃料電池システムにおいて、制御部４０には、スタック温度センサ４４からの検出信号の入力に代えて、燃料電池スタック１における電解質膜の抵抗値を測定する抵抗値センサ４５からの検出信号が入力されている。
【００５２】
図８は、本発明の第３の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ５０〜ステップ５３において、第１の実施形態におけるステップ１０〜ステップ１３と同様に、発電電流Ｉeが読み込まれ、この発電電流Ｉeと第１の電流判定値Ｉth1との比較結果に応じてバイパス弁２４が開閉制御される。そして、ステップ５４において、第１の実施形態におけるステップ１４と同様に、発電電流Ｉeと第２の電流判定値Ｉth2との比較結果に応じて、乾燥圧力Ｐdの算出処理へと進む。
【００５３】
ステップ５６において、抵抗値センサ４５よって検出される電解質膜の抵抗値Ｒが読み込まれる。ステップ５７において、乾燥圧力Ｐdが算出される。電解質膜の抵抗値Ｒは、燃料電池スタック１の乾燥状態と相関がある。制御部４０には、発電電流Ｉeおよび電解質膜の抵抗値Ｒに対応する乾燥圧力Ｐdの関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして記憶領域に格納されている。この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の発電電流Ｉe毎に、電解質膜の抵抗値Ｒを変化させながら、燃料電池スタック１の乾燥が抑制されるような空気の供給圧力（乾燥圧力Ｐd）を予め取得することにより、作成することができる。図９は、ある発電電流Ｉeにおける、電解質膜の抵抗値Ｒと、乾燥圧力Ｐdとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、乾燥圧力Ｐdは、電解質膜の抵抗値Ｒが大きくなる程、すなわち、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、その値が大きくなるような傾向となっている。この対応関係において、乾燥圧力Ｐdは、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気圧力が通常の運転圧力よりも大きくなるようになっている。このステップ５７では、内部データを参照した上で、電解質膜の抵抗値Ｒと発電電流Ｉeとに基づいて、乾燥圧力Ｐdを算出する。
【００５４】
ステップ５８，５９において、第１の実施形態のステップ１７，１８と同様に、電流変化率ｄIe／ｄtと、また、上限圧力Ｐmaxが算出される。ステップ６０において、乾燥圧力Ｐdと上限圧力Ｐmaxとが比較され、この結果に応じて、目標圧力Ｐoが乾燥圧力Ｐdまたは上限圧力Ｐmaxに設定される（ステップ６１またはステップ６２）。ステップ６３において、第１の実施形態におけるステップ２２と同様に、燃料電池スタック１に対する冷却量の増加制御を行う。そして、ステップ６４，６５において、第１の実施形態におけるステップ２３，２４と同様に、入口圧力Ｐinが読み込まれ、供給空気の圧力制御が行われる。
【００５５】
このように本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、燃料電池スタック１を構成する電解質膜の抵抗値Ｒを検出する抵抗値センサ（抵抗値検出手段）４５をさらに有している。この場合、推定手段である制御部４０は、抵抗値センサ４５によって検出される電解質膜の抵抗値Ｒが大きい程、燃料電池スタックが乾燥していると推定する。電解質膜の抵抗値Ｒと、燃料電池スタック１との乾燥状態とは相関があるため、電解質膜の抵抗値Ｒから、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することができる。これにより、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００５６】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図である。本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第４の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、乾燥圧力Ｐdの算出方法である。本実施形態の基本的なシステム構成は、第１の実施形態のそれと同じであり、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。なお、この第４の実施形態にかかる燃料電池システムにおいて、制御部４０には、スタック温度センサ４４からの検出信号の入力に代えて、燃料電池スタック１の燃料極側からの排出ガスの湿度を検出する湿度センサ４６からの検出信号が入力されている。
【００５７】
図１１は、本発明の第４の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ７０〜ステップ７３において、第１の実施形態におけるステップ１０〜ステップ１３と同様に、発電電流Ｉeが読み込まれ、この発電電流Ｉeと第１の電流判定値Ｉth1との比較結果に応じてバイパス弁２４が開閉制御される。そして、ステップ７４において、第１の実施形態におけるステップ１４と同様に、発電電流Ｉeと第２の電流判定値Ｉth2との比較結果に応じて、乾燥圧力Ｐdの算出処理へと進む。
【００５８】
ステップ７５において、湿度センサ４６よって検出される、燃料極側から排出される排出ガスの湿度Ｈoutが読み込まれる。ステップ７６において、乾燥圧力Ｐdが算出される。燃料極側の排出ガスの湿度Ｈoutには、燃料電池スタック１の乾燥状態が反映される。制御部４０には、発電電流Ｉeおよび燃料極側の排出ガスの湿度Ｈoutに対応する乾燥圧力Ｐdの関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして記憶領域に格納されている。この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の発電電流Ｉe毎に、燃料極側の排出ガスの湿度Ｈoutを変化させながら、燃料電池スタック１の乾燥が抑制されるような空気の供給圧力（乾燥圧力Ｐd）を予め取得することにより、作成することができる。一般に、乾燥圧力Ｐdは、燃料極側の排出ガスの湿度Ｈoutが大きくなる程、すなわち、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、その値が大きくなるような傾向となっている。この対応関係において、乾燥圧力Ｐdは、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気圧力が通常の運転圧力よりも大きくなるようになっている。このステップ７６では、内部データを参照した上で、燃料極側の排出ガスの湿度Ｈoutと発電電流Ｉeとに基づいて、乾燥圧力Ｐdを算出する。
【００５９】
ステップ７７，７８において、第１の実施形態のステップ１７，１８と同様に、電流変化率ｄIe／ｄtと、また、上限圧力Ｐmaxが算出される。ステップ７９において、乾燥圧力Ｐdと上限圧力Ｐmaxとが比較され、この結果に応じて、目標圧力Ｐoが乾燥圧力Ｐdまたは上限圧力Ｐmaxに設定される（ステップ８０またはステップ８１）。ステップ８２において、第１の実施形態におけるステップ２２と同様に、燃料電池スタック１に対する冷却量の増加制御を行う。そして、ステップ８３，８４において、第１の実施形態におけるステップ２３，２４と同様に、入口圧力Ｐinが読み込まれ、供給空気の圧力制御が行われる。
【００６０】
このように本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、燃料電池スタック１の燃料極側から排出される排出ガスの湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）４６をさらに有している。ここで、推定手段である制御部４０は、湿度センサ４６によって検出される排出ガスの湿度Ｈoutが低い程、燃料電池スタック１が乾燥していると推定する。排出ガスの湿度Ｈoutと、燃料電池スタック１との乾燥状態とは相関があるため、燃料極からの排出ガスの湿度Ｈoutから、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することができる。これにより、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００６１】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明の第５の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図である。本発明の第５の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。この第５の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、乾燥圧力Ｐdの算出方法である。本実施形態の基本的なシステム構成は、第１の実施形態のそれと同じであり、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。なお、この第５の実施形態にかかる燃料電池システムにおいて、制御部４０には、スタック温度センサ４４からの検出信号の入力に代えて、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気の湿度を検出する湿度センサ４７からの検出信号が入力されている。
【００６２】
図１３は、本発明の第５の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ９０〜ステップ９３において、第１の実施形態におけるステップ１０〜ステップ１３と同様に、発電電流Ｉeが読み込まれ、この発電電流Ｉeと第１の電流判定値Ｉth1との比較結果に応じてバイパス弁２４が開閉制御される。そして、ステップ９４において、第１の実施形態におけるステップ１４と同様に、発電電流Ｉeと第２の電流判定値Ｉth2との比較結果に応じて、乾燥圧力Ｐdの算出処理へと進む。
【００６３】
ステップ９５において、湿度センサ４７よって検出される、酸化剤極へ供給される空気の湿度Ｈinが読み込まれる。ステップ９６において、乾燥圧力Ｐdが算出される。酸化剤極への供給空気の湿度Ｈinは、燃料電池スタック１の乾燥状態と相関がある。制御部４０には、発電電流Ｉeおよび供給空気の湿度Ｈinに対応する乾燥圧力Ｐdの関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして記憶領域に格納されている。この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の発電電流Ｉe毎に、供給空気の湿度Ｈinを変化させながら、燃料電池スタック１の乾燥が抑制されるような空気の供給圧力（乾燥圧力Ｐd）を予め取得することにより、作成することができる。図１４は、ある発電電流Ｉeにおける、供給空気の湿度Ｈinと、乾燥圧力Ｐdとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、乾燥圧力Ｐdは、供給空気の湿度Ｈinが低くなり、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、その値が大きくなるような傾向となっている。この対応関係において、乾燥圧力Ｐdは、燃料電池スタック１が乾燥傾向にある程、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気圧力が通常の運転圧力よりも大きくなるようになっている。このステップ９６では、内部データを参照した上で、供給空気の湿度Ｈinと発電電流Ｉeとに基づいて、乾燥圧力Ｐdを算出する。
【００６４】
ステップ９７，９８において、第１の実施形態のステップ１７，１８と同様に、電流変化率ｄIe／ｄtと、また、上限圧力Ｐmaxが算出される。ステップ９９において、乾燥圧力Ｐdと上限圧力Ｐmaxとが比較され、この結果に応じて、目標圧力Ｐoが乾燥圧力Ｐdまたは上限圧力Ｐmaxに設定される（ステップ１００またはステップ１０１）。ステップ１０２において、第１の実施形態におけるステップ２２と同様に、燃料電池スタック１に対する冷却量の増加制御を行う。そして、ステップ１０３，１０４において、第１の実施形態におけるステップ２３，２４と同様に、入口圧力Ｐinが読み込まれ、供給空気の圧力制御が行われる。
【００６５】
このように本実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の湿度Ｈinを検出する湿度センサ（湿度検出手段）４７をさらに有している。ここで、推定手段である制御部４０は、湿度センサ４７によって検出される供給空気の湿度Ｈinが低い程、燃料電池スタック１が乾燥していると推定する。供給空気の湿度Ｈinと、燃料電池スタック１との乾燥状態とは相関があるため、酸化剤極へ供給される空気の湿度Ｈinから、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することができる。これにより、燃料電池スタック１を最適な湿潤状態に制御することができる。
【００６６】
なお、上述した実施形態では、スタック温度Ｔc、システムの停止時間Ｔstop、電解質膜の抵抗値Ｒ、燃料極側からの排出ガスの湿度Ｈout、および、酸化剤極へ供給される空気の湿度Ｈinを個別に用いて、燃料電池スタック１の乾燥状態を推定したが、本発明はこれに限定されない。燃料電池スタック１の乾燥状態を推定し得る、これらのパラメータを任意に組み合わせて、複合的に燃料電池スタック１の乾燥状態を推定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図
【図２】第１の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャート
【図３】ある発電電流Ｉeにおける、スタック温度Ｔcと乾燥圧力Ｐdとの対応関係を示す説明図
【図４】電流変化率ｄＩe／ｄtと上限圧力Ｐmaxとの対応関係を示す説明図
【図５】第２の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャート
【図６】システム停止時間Ｔstopおよびシステム起動後停止時間Ｔstartと補正値Ｃとの関係を示す説明図
【図７】第３の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図
【図８】第３の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャート
【図９】ある発電電流Ｉeにおける、電解質膜の抵抗値Ｒと乾燥圧力Ｐdとの対応関係を示す説明図
【図１０】第４の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図
【図１１】第４の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャート
【図１２】第５の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図
【図１３】第５の実施形態にかかる空気供給制御の手順を示すフローチャート
【図１４】ある発電電流Ｉeにおける、供給空気の湿度Ｈinと乾燥圧力Ｐdとの対応関係を示す説明図
【符号の説明】
【００６８】
１        燃料電池スタック
１０      燃料タンク
１１      水素調圧弁
１２      水素循環ポンプ
１３      パージ弁
２０      空気供給装置
２１      コンプレッサ
２３      空気調圧弁
２４      バイパス弁
３１      ラジエータ
３２      冷媒循環ポンプ
４０      制御部
４１      水素圧力センサ
４２      流量計
４３      空気圧力センサ
４４      スタック温度センサ
４５      抵抗値センサ
４６      湿度センサ
４７      湿度センサ
４８      電流計
【図１】
2007257956.tif 000003
【図２】
2007257956.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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