(57)【要約】【課題】燃料電池の発電に伴い、アノードのドライアップを抑制する技術を提供すること。【解決手段】燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池は、電解質膜の一方の面に設けられるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられるカソードと、を備え、  燃料電池システムは、アノードのドライアップ時において、燃料電池のアノードに供給する燃料ガスの温度を昇温させる昇温部をさらに備える。【選択図】図５
2009016082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
電解質膜の一方の面に設けられるアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられるカソードと、を備え、
前記燃料電池システムは、
前記アノードのドライアップ時において、前記燃料電池の前記アノードに供給する燃料ガスの温度を昇温させる昇温部をさらに備えることを特徴とす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、
前記燃料電池に前記燃料ガスを導入するための燃料ガス導入流路と、
前記燃料電池において電気化学反応に供された前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃料電池の外部に排出するための燃料ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス導入流路とを接続する接続流路と、を備え、
前記燃料ガス導入流路において前記接続流路の第１接続部と前記燃料電池との間の流路、前記燃料ガス排出流路において前記燃料電池と前記接続流路の第２接続部との間の流路、および、前記接続流路で形成される流路は、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを再利用のために前記燃料電池に循環させるための循環流路であり、
前記昇温部は、
前記循環流路上に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを、前記循環流路を介して、前記燃料電池に循環させるための循環ポンプと、
前記アノードのドライアップ時において、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を増加させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させる仕事量増加制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記循環流路に設けられ、前記燃料ガスの圧力を減圧させることが可能な減圧弁を備え、
前記仕事量増加制御部は、
前記アノードのドライアップ時において、前記減圧弁を制御し前記燃料ガスの圧力を減圧させつつ、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を増加させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記循環流路に設けられ、前記循環流路を流れる前記燃料ガスを前記循環流路の外部に排出可能な第１排出弁を備え、
前記仕事量増加制御部は、
前記アノードのドライアップ時において、前記第１排出弁を制御し前記循環流路を流れる一部の前記燃料ガスを前記循環流路の外部に排出させつつ、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を増加させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記昇温部は、
前記循環流路に設けられるヒータと、
前記アノードのドライアップ時において、前記ヒータを制御して前記燃料電池の前記アノードに供給する前記燃料ガスの温度を昇温させるヒータ制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２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、
前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの湿度を検出する第１湿度検出部を備え、
前記仕事量増加制御部は、
前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を向上させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させている場合において、前記第１湿度検出部が検出した前記湿度が、第１閾値より低下した場合には、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を減少させ、その後、前記第１湿度検出部が検出した前記湿度が、第２閾値より高くなった場合には、前記循環ポンプを制御し、再度、前記循環ポンプの回転数を増加させ、前記循環ポンプの仕事量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２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、
前記循環流路を流れる前記燃料ガスと共に、前記循環流路中の水分を前記燃料電池システムの外部に排出可能な第２排出弁と、
前記第２排出弁を制御し、所定時間、前記第２排出弁を開弁させる排出弁制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の前記アノードに供給する前記燃料ガスの湿度を検出する第２湿度検出部を備え、
前記排出弁制御部は、
前記第２湿度検出部が検出した前記燃料ガスの湿度が、第３閾値より高くなった場合に、前記第２排出弁を制御し、所定時間、前記第２排出弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードのドライアップ時において、前記燃料電池の前記カソードに供給する酸化ガスの供給流量を減少させる酸化ガス供給部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの湿度を検出する第３湿度検出部と、
前記第３湿度検出部が検出した前記燃料ガスの湿度が、第４閾値より低い場合に、前記アノードがドライアップであると判定するドライアップ判定部と、を備え、
前記昇温部は、
前記ドライアップ判定部が、前記アノードがドライアップであると判断した場合において、前記燃料電池の前記アノードに供給する燃料ガスの温度を昇温させる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、燃料電池のアノードのドライアップを抑制する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池では、電解質膜の一方の面に設けられるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられるカソードとを備え、アノードおよびカソードに、それぞれ、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスを供給することで電気化学反応を生じさせ、発電を行うようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６５０９４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、上記燃料電池が、例えば、固体高分子型燃料電池の場合には、発電に伴い、プロトンが、電解質膜を介してアノードからカソードに移動するが、その際、プロトンは、アノードから水を受け取り水和した状態で、カソードに移動する。そうすると、アノードにおいて、水分が不足するドライアップが生じるおそれがあった。このようにアノードにおいて、ドライアップが生じると、アノードからカソードへのプロトンの移動が滞り、その結果、燃料電池の発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電に伴い、アノードのドライアップを抑制する技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜の一方の面に設けられるアノードと、前記電解質膜の他方の面に設けられるカソードと、を備え、前記燃料電池システムは、前記アノードのドライアップ時において、前記燃料電池の前記アノードに供給する燃料ガスの温度を昇温させる昇温部をさらに備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、アノードの水蒸気分圧を低下させ、アノードとカソードとの間の水蒸気分圧差を拡大させることができ、それに伴いカソードからアノードへの水移動量を増加させることができる。その結果、アノードの水分を多くすることができ、すなわち、アノードのドライアップを抑制することができる。なお、「水分」とは、水（液体）、または、水蒸気を含む概念である。
【０００９】
[適用例２]適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に前記燃料ガスを導入するための燃料ガス導入流路と、前記燃料電池において電気化学反応に供された前記燃料ガスを前記燃料電池から前記燃料電池の外部に排出するための燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス導入流路とを接続する接続流路と、を備え、前記燃料ガス導入流路において前記接続流路の第１接続部と前記燃料電池との間の流路、前記燃料ガス排出流路において前記燃料電池と前記接続流路の第２接続部との間の流路、および、前記接続流路で形成される流路は、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを再利用のために前記燃料電池に循環させるための循環流路であり、前記昇温部は、前記循環流路上に設けられ、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを、前記循環流路を介して、前記燃料電池に循環させるための循環ポンプと、前記アノードのドライアップ時において、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を増加させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させる仕事量増加制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００１０】
このようにすれば、循環ポンプを用いて、燃料電池のアノードに供給する燃料ガスを暖めることができる。
【００１１】
[適用例３]適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記循環流路に設けられ、前記燃料ガスの圧力を減圧させることが可能な減圧弁を備え、前記仕事量増加制御部は、前記アノードのドライアップ時において、前記減圧弁を制御し前記燃料ガスの圧力を減圧させつつ、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を増加させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【００１２】
このようにすれば、循環ポンプの回転数を増加させた場合に、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス量が過剰になることを抑制することができる。
【００１３】
[適用例４]適用例２または適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、前記循環流路に設けられ、前記循環流路を流れる前記燃料ガスを前記循環流路の外部に排出可能な第１排出弁を備え、前記仕事量増加制御部は、前記アノードのドライアップ時において、前記第１排出弁を制御し前記循環流路を流れる一部の前記燃料ガスを前記循環流路の外部に排出させつつ、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を増加させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【００１４】
このようにすれば、循環ポンプの回転数を上げた場合に、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス量が過剰になることを抑制することができる。
【００１５】
[適用例５]適用例２ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記昇温部は、前記循環流路に設けられるヒータと、前記アノードのドライアップ時において、前記ヒータを制御して前記燃料電池の前記アノードに供給する前記燃料ガスの温度を昇温させるヒータ制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００１６】
このようにすれば、ヒータを用いて、燃料電池のアノードに供給する燃料ガスを暖めることができる。
【００１７】
[適用例６]適用例２ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの湿度を検出する第１湿度検出部を備え、前記仕事量増加制御部は、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を向上させて、前記循環ポンプの仕事量を増加させている場合において、前記第１湿度検出部が検出した前記湿度が、第１閾値より低下した場合には、前記循環ポンプを制御し、前記循環ポンプの回転数を減少させ、その後、前記第１湿度検出部が検出した前記湿度が、第２閾値より高くなった場合には、前記循環ポンプを制御し、再度、前記循環ポンプの回転数を増加させ、前記循環ポンプの仕事量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【００１８】
このようにすれば、循環ポンプの仕事量を無駄に増加させることなく、効率よく循環ポンプで燃料ガスの温度を昇温させることができる。
【００１９】
[適用例７]適用例２ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記循環流路を流れる前記燃料ガスと共に、前記循環流路中の水分を前記燃料電池システムの外部に排出可能な第２排出弁と、前記第２排出弁を制御し、所定時間、前記第２排出弁を開弁させる排出弁制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００２０】
このようにすれば、循環流路や燃料ガス中の水分を燃料電池システムの外部に排出することができ、アノードに供給する燃料ガスの湿度を低下させることができる。その結果、燃料ガスによって効率よくアノードの水分を持ち去ることができるので、カソードからアノードへの水移動量を多くすることができる。
【００２１】
[適用例８]適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の前記アノードに供給する前記燃料ガスの湿度を検出する第２湿度検出部を備え、前記排出弁制御部は、前記第２湿度検出部が検出した前記燃料ガスの湿度が、第３閾値より高くなった場合に、前記第２排出弁を制御し、所定時間、前記第２排出弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システム。
【００２２】
このようにすれば、循環流路や燃料ガス中の水分を燃料電池システムの外部に排出することができ、アノードに供給する燃料ガスの湿度を低下させることができる。その結果、燃料ガスによって効率よくアノードの水分を持ち去ることができるので、カソードからアノードへの水移動量を多くすることができる。
【００２３】
[適用例９]適用例２ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードのドライアップ時において、前記燃料電池の前記カソードに供給する酸化ガスの供給流量を減少させる酸化ガス供給部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００２４】
このようにすれば、カソードにおいて、酸化ガスがカソードで生じた生成水を持ち去ることを抑制することができ、カソードの水分を多くし、すなわち、カソードにおける水蒸気分圧を高くすることができ、それに伴い、アノードとカソードとの間の水蒸気分圧差を拡大させることができる。そうすると、アノードからカソードへの水移動量を増加させることができ、その結果、アノードのドライアップを抑制することができる。
【００２５】
[適用例１０]適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの湿度を検出する第３湿度検出部と、前記第３湿度検出部が検出した前記燃料ガスの湿度が、第４閾値より低い場合に、前記アノードがドライアップであると判定するドライアップ判定部と、を備え、前記昇温部は、前記ドライアップ判定部が、前記アノードがドライアップであると判断した場合において、前記燃料電池の前記アノードに供給する燃料ガスの温度を昇温させることを特徴とする燃料電池システム。
【００２６】
このようにすれば、アノードのドライアップを的確に判定することができ、ドライアップを迅速に抑制することができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの態様の他、燃料電池や燃料電池システムの制御回路などの他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、燃料電池システムの制御方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００２８】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１００は、主に、燃料電池１０と、水素タンク２０と、コンプレッサ３０と、水素循環ポンプ５０と、冷媒循環ポンプ６５と、ラジエータ６０と、気液分離器７０と、湿度センサ８０，８５と、水素遮断弁２００と、レギュレータ２１０と、可変レギュレータ２２０と、排出弁２４０と、制御回路４００と、を備えている。
【００３０】
図２は、燃料電池１０が備えるセルアセンブリ１５の概略断面図である。燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、セルアセンブリ１５を複数積層したスタック構造を有している。セルアセンブリ１５は、図２に示すように、ＭＥＡ（膜電極接合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１と、ＭＥＡ１１の外側に形成される第１ガス拡散層４，５と、第１ガス拡散層４，５の外側に形成される第２ガス拡散層６，７と、第２ガス拡散層６，７の外側に形成されるセパレータ８，９と、を備えている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１と、電解質膜１の両面に形成されるカソード２およびアノード３とから成る。
【００３１】
電解質膜１は、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。このフッ素系樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸（ナフィオン（登録商標）など）などが好ましい。カソード２およびアノード３は、白金担持カーボンと、電解質とから構成される。第１ガス拡散層４，５は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。また、第２ガス拡散層６，７は、導電性を有し、第１ガス拡散層４，５よりも比較的大きな細孔からなる多孔質部材であり、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。
【００３２】
セパレータ８，９は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ８，９の表面には、セルアセンブリ１５に導入された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード２側において、第２ガス拡散層６とセパレータ８との間には、カソード２で電気化学反応に供される酸化ガスが通過するアセンブリ内酸化ガス流路３２が形成されている。また、アノード３側の第２ガス拡散層７とセパレータ９との間には、アノード３で電気化学反応に供される燃料ガスが通過するアセンブリ内燃料ガス流路２２が形成されている。なお、図２のセパレータ８，９は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、セパレータ８，９とＭＥＡ１１との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。
【００３３】
燃料電池１０は、負荷（図示せず）と接続される。そして、燃料電池１０は、後述の水素タンク２０およびコンプレッサ３０から、負荷からの負荷要求情報（以下では、単に負荷要求と呼ぶ）に基づく流量の燃料ガスおよび酸化ガスがそれぞれ供給され、ＭＥＡ１１において電気化学反応が進行し、起電力が生じる。生じた電力は、負荷に供給される。
【００３４】
燃料電池１０は、各セルアセンブリ１５に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ１５に対して酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ１５に対して各セルアセンブリ１５を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ１５から燃料ガスを燃料電池１０の外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ１５から酸化ガスを燃料電池１０の外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド（図示せず）と、各セルアセンブリ１５を冷却した冷却水を燃料電池１０の外部に排出するための冷却水排出マニホールド（図示せず）とを備えている。以下では、燃料ガス供給マニホールドと、アセンブリ内燃料ガス流路２２と、燃料ガス排出マニホールドとを総称して、アノード流路２５とも呼び、酸化ガス供給マニホールドと、アセンブリ内酸化ガス流路３２と、酸化ガス排出マニホールドとを総称して、カソード流路３５とも呼ぶ。
【００３５】
水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス導入流路２４を介して燃料電池１０のアノード流路２５（燃料ガス供給マニホールド）に接続されている。燃料ガス導入流路２４上において、水素タンク２０から近い順番に、水素遮断弁２００と、レギュレータ２１０とが設けられている。水素遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１０に水素ガスを燃料ガスとして供給する。なお、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。
【００３６】
燃料電池１０のアノード流路２５（燃料ガス排出マニホールド）は、燃料ガスを燃料電池１０から排出するための燃料ガス排出流路２６とも接続され、この燃料ガス排出流路２６上には、燃料電池１０から近い順番に、気液分離器７０と、排出弁２４０が設けられている。気液分離器７０は、燃料電池１０から排出される水を貯留したり、循環流路Ｃを循環する燃料ガス中の水蒸気を液化させて貯留するための装置である。燃料電池システム１００の運転中において、排出弁２４０を定期的に開弁することで、気液分離器７０に貯留される水やアノードで電気化学反応に供された後の燃料ガスが、定期的に、燃料電池システム１００の外部へ排出される。
【００３７】
また、気液分離器７０と燃料ガス導入流路２４とを接続するための接続流路２７が設けられている。この接続流路２７上には、水素循環ポンプ５０が設けられる。この接続流路２７は、水素循環ポンプ５０によって勢いをつけて送りだされた燃料ガスを、燃料ガス導入流路２４に導く。これにより、燃料電池１０から排出された燃料ガスは、燃料ガス排出流路２６を介して気液分離器７０に排出され、さらに、接続流路２７を介して燃料ガス導入流路２４に導入され、そして、燃料ガス導入流路２４を介して、再び燃料電池１０に循環する。燃料ガス排出流路２６における燃料電池１０と気液分離器７０との間の流路、接続流路２７、および、燃料ガス導入流路２４における接続流路２７との接続部Ｇと燃料電池１０との間の流路は、燃料ガスを循環させるための流路であるので、循環流路Ｃとも呼ぶ（図１参照）。燃料電池１０から排出された燃料ガスは、循環流路Ｃを流れて燃料電池１０で再利用される。なお、以下では、循環流路Ｃにおいて、燃料ガスが循環する方向を循環方向とも呼ぶ。
【００３８】
可変レギュレータ２２０は、循環流路Ｃにおいて、水素循環ポンプ５０と気液分離器７０との間に設けられ、水素循環ポンプ５０に流入する燃料ガスの圧力を調圧可能な弁である。
【００３９】
コンプレッサ３０は、酸化ガス導入流路３４を介して燃料電池１０のカソード流路３５（酸化ガス供給マニホールド）に接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、カソード２に供給する。また、カソード流路３５（酸化ガス排出マニホールド）は、酸化ガス排出流路３６とも接続され、カソード２で電気化学反応に供された後の酸化ガスは、この酸化ガス排出流路３６を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００４０】
また、燃料電池システム１００は、燃料電池１０を冷却するための冷却媒体（以下では、冷媒とも呼ぶ）を循環させるための冷媒循環流路６４を備えている。この冷媒循環流路６４上には、ラジエータ６０、冷媒循環ポンプ６５が設けられる。なお、冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液（不凍液）などを用いることができる。
【００４１】
湿度センサ８０は、循環流路Ｃ（燃料ガス導入流路２４）から燃料電池１０（アノード３）に供給される燃料ガス中の湿度（以下では、供給湿度とも呼ぶ）を検出するためのセンサである。湿度センサ８５は、燃料電池１０から循環流路Ｃ（燃料ガス排出流路２６）に排出される燃料ガスの湿度（以下では、排出湿度とも呼ぶ）を検出するためのセンサである。
【００４２】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、この制御回路４００は、コンプレッサ３０、水素循環ポンプ５０、冷媒循環ポンプ６５、水素遮断弁２００、レギュレータ２１０、可変レギュレータ２２０、排出弁２４０などを制御し、燃料電池システム１００の運転制御を行う。
【００４３】
また、制御回路４００は、仕事量増加制御部４１０と、湿度検出部４２０と、排出弁制御部４３０と、ドライアップ判定部４４０としても機能し、後述する発電中処理を実行する。
【００４４】
Ａ２．アノード−カソード間の水移動の説明：
図３は、アノード３およびカソード２間の水移動を説明するためにＭＥＡ１１を拡大した図である。この図において、白抜き矢印は、電解質膜１におけるプロトン移動に伴う水の移動方向（アノード３からカソード２へ向かう方向）を示しており、黒塗り矢印は、電解質膜１においてアノード３とカソード２との間の水蒸気分圧差によって生じる水の移動方向（カソード２からアノード３へ向かう方向）を示している。また、以下では、プロトン移動に伴う水の移動量を水移動量Ｑ１とも呼び、アノード３とカソード２との間の水蒸気分圧差によって生じる水の移動量を水移動量Ｑ２とも呼ぶ。さらに、燃料ガスが、アノード３から持ち去る水蒸気量を持ち去り量Ｑａとも呼ぶ。以下では、単に「ドライアップ」と記載した場合には、「アノード３のドライアップ」のことを示す。
【００４５】
燃料電池１０では、例えば、負荷が比較的低く、すなわち、低出力発電時または中出力発電時などでは、水移動量Ｑ１と水移動量Ｑ２とは、ほとんど同程度の量となっており、ドライアップ状態になりにくい。しかし、例えば、燃料電池１０において、負荷が高くなる、すなわち、高出力発電時などでは、水移動量Ｑ１が急増するのに対して、水移動量Ｑ２は、水移動量Ｑ１の増加に伴う拡散抵抗の増大等で増加が抑制され、それに伴い、水移動量Ｑ２より水移動量Ｑ１が多くなり、相対的にアノード３からカソード２へ水が移動することとなる。そうすると、アノード３の水分が減少し、ドライアップ状態となるおそれがある。そこで、本発明の発明者は、ドライアップ時において、持ち去り量Ｑａを増加させることで、アノード３の水蒸気分圧を減少させ、それに伴い水移動量Ｑ２を増加させ、ドライアップを抑制する新たな手法を考案した。以下に説明するドライアップ抑制処理において、その手法を説明する。
【００４６】
Ａ３．発電中処理：
図４は、本実施例の燃料電池システム１００が行う発電中処理のフローチャートである。この発電中処理は、燃料電池システム１００が起動後に、燃料電池１０で発電が開始されると同時に行われ、また、発電中に随時行われる処理である。この発電中処理の前提条件を説明する。可変レギュレータ２２０は、全開に開弁されており、すなわち、循環流路Ｃにおいて、可変レギュレータ２２０の位置より循環方向の上流側と下流側で、燃料ガスの圧力は変わらない。また、水素循環ポンプ５０およびコンプレッサ３０は、制御回路４００に制御され、要求負荷に応じた回転数に制御されている。この場合における水素循環ポンプ５０の回転数を所定値Ｒとする。排出弁２４０は、閉弁されている。この発電中処理は、ドライアップ状態か否かを判定し、ドライアップ状態の場合には、後述のドライアップ抑制処理を行うための処理である。
【００４７】
具体的には、発電中処理において、まず、ドライアップ判定部４４０は、ドライアップ状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。具体的には、ドライアップ判定部４４０は、湿度センサ８５から排出湿度Ｈを検出し、この排出湿度Ｈが、所定値Ｔｈより低い場合に、ドライアップ状態であると判定し、排出湿度Ｈが、所定値Ｔｈ以上であれば、ドライアップ状態ではないと判定する。所定値Ｔｈは、燃料電池システム１００の具体的な設計、運転環境等によって適宜決定される。
【００４８】
なお、ドライアップ判定部４４０は、以上の判定方法に限られず、以下のようにして、ドライアップの判定を行うようにしてもよい。ドライアップ判定部４４０は、例えば、冷媒循環流路６４を流れる冷媒の温度（以下では、冷媒温度Ｔ１と呼ぶ）を温度センサ（図示せず）から検出し、その冷媒温度Ｔ１が所定値Ｙ１より高い場合にドライアップ状態であると判定し、冷媒温度Ｔ１が所定値Ｙ１以下の場合はドライアップ状態でないと判定するようにしてもよい。また、ドライアップ判定部４４０は、負荷要求が、所定値Ｍより高い場合にドライアップ状態であると判定し、負荷要求が所定値Ｍ以下である場合はドライアップ状態ではないと判定するようにしてもよい。さらに、ドライアップ判定部４４０は、燃料電池システム１００が設置された場所の外気温度（以下では、外気温度Ｔ２と呼ぶ）を温度センサ（図示せず）から検出し、その外気温度Ｔ２が、所定値Ｙ２より高い場合にドライアップ状態であると判定し、外気温度Ｔ２が所定値Ｙ２以下の場合はドライアップ状態でないと判定するようにしてもよい。上記所定値Ｙ１、所定値Ｍ、および所定値Ｙ２は、燃料電池システム１００の具体的な設計、運転環境等によって適宜決定される。
【００４９】
制御回路４００は、ドライアップ判定部４４０がドライアップ状態ではないと判定した場合には（ステップＳ１０：Ｎｏ）、ドライアップ判定部４４０に再度判定を行わせる。
【００５０】
一方、制御回路４００は、ドライアップ判定部４４０がドライアップ状態であると判定した場合には（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、以下に説明するドライアップ抑制処理を実行する（ステップＳ２０）。
【００５１】
Ａ４．ドライアップ抑制処理：
図５は、本実施例の燃料電池システム１００が行うドライアップ抑制処理のフローチャートである。まず、この図５に示すドライアップ抑制処理において、仕事量増加制御部４１０は、仕事量増加制御部４１０は、水素循環ポンプ５０を制御し、水素循環ポンプ５０の回転数を所定値Ｒから所定値Ｒ１に上昇させ、水素循環ポンプ５０の仕事量を増加させる。このようにすることにより、循環流路Ｃを流れる燃料ガスは、水素循環ポンプ５０を通過する際、水素循環ポンプ５０から熱量を受け取って暖められ（昇温し）、燃料電池１０のアノード３に供給される。そうすると、アノード３に供給される燃料ガスの温度上昇に伴い、燃料ガスが乾燥し、アノード３から燃料ガスにより持ちされる水蒸気量（持ち去り量Ｑａ）が多くなり、急激にアノード３の湿度（水蒸気分圧）が低下する。燃料ガスの温度上昇と共に、このようにアノード３の湿度が低下するので、排出湿度は低下する。また、仕事量増加制御部４１０は、可変レギュレータ２２０を制御し、燃料ガスが、燃料電池１０に、負荷要求に応じた分量供給されるように、循環流路Ｃにおいて、水素循環ポンプ５０に流入する燃料ガスの圧力を減圧させる（ステップＳ１１０）。なお、所定値Ｒ１は、所定値Ｒより高く設定される。また、所定値Ｒ１は、燃料電池システム１００の具体的な設計、運転環境等によって適宜決定される。
【００５２】
次に、湿度検出部４２０は、湿度センサ８５から排出湿度Ｈ１を検出する（ステップＳ１２０）。仕事量増加制御部４１０は、排出湿度Ｈ１が所定値Ｔｈ１以上の場合（ステップＳ１３０：Ｎｏ）には、ステップＳ１２０の処理に戻る。なお、所定値Ｔｈ１は、所定値Ｔｈより低く設定される。また、所定値Ｔｈ１は、燃料電池システム１００の具体的な設計、運転環境等によって適宜決定される。
【００５３】
そして、仕事量増加制御部４１０は、排出湿度Ｈ１が所定値Ｔｈ１より低くなった場合（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）には、水素循環ポンプ５０を制御し、水素循環ポンプ５０の回転数を所定値Ｒ１から所定値Ｒに減少させて、水素循環ポンプ５０の仕事量を減少させる。また、仕事量増加制御部４１０は、可変レギュレータ２２０を制御し、全開に開弁させ、可変レギュレータ２２０の位置より循環方向の上流側と下流側で、燃料ガスの圧力は変わらないようにする（ステップＳ１５０）。
【００５４】
以上のように、排出湿度Ｈ１が所定値Ｔｈ１より低下し、言い換えれば、アノード３の水蒸気分圧が低下すると、アノード３とカソード２との間の水蒸気分圧差が拡大し、それに伴い水移動量Ｑ２が急増する。そうすると、水移動量Ｑ１より水移動量Ｑ２の方が多くなり、アノード３において、湿度が上昇し、それに伴い、排出湿度も上昇する。
【００５５】
湿度検出部４２０は、湿度センサ８５から排出湿度Ｈ２を検出する（ステップＳ１５０）。仕事量増加制御部４１０は、排出湿度Ｈ２が所定値Ｔｈ２以下の場合（ステップＳ１６０：Ｎｏ）には、再度、ステップＳ１５０の処理で排出湿度Ｈ２が検出されるまで待機する。所定値Ｔｈ２は、燃料電池システム１００の具体的な設計、運転環境等によって適宜決定される。
【００５６】
排出弁制御部４３０は、排出湿度Ｈ２が所定値Ｔｈ２より高くなった場合（ステップＳ１６０：Ｙｅｓ）には、続いて、湿度センサ８０から供給湿度Ｈ３を検出する（ステップＳ１６２）。
【００５７】
そして、排出弁制御部４３０は、供給湿度Ｈ３が所定値Ｔｈ３より高い場合（ステップＳ１６４：Ｙｅｓ）には、排出弁２４０を制御して、排出弁２４０を一定時間開弁させる（ステップＳ１６５）。この開弁時間および所定値Ｔｈ３は、燃料電池システム１００の具体的な設計、運転環境等によって適宜決定される。一方、排出弁制御部４３０は、供給湿度Ｈ３が所定値Ｔｈ３以下の場合（ステップＳ１６４：Ｎｏ）には、排出弁２４０を開弁する制御は行わない。
【００５８】
次に、制御回路４００は、このドライアップ抑制処理の開始から所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１７０）。制御回路４００が所定時間経過していないと判断すると（ステップＳ１７０：Ｎｏ）、仕事量増加制御部４１０は、再び、ステップＳ１１０の処理を実行する。制御回路４００は、ドライアップ抑制処理の開始から所定時間が経過している場合（ステップＳ１７０：Ｙｅｓ）には、この処理を終了し、発電中処理に戻る。
【００５９】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００は、ドライアップ時には、ドライアップ抑制処理（図５）を行い、その処理において、アノード３に供給する燃料ガスの温度を昇温させるようにしている。このようにすれば、アノード３の水蒸気分圧を低下させ、アノード３とカソード２との間の水蒸気分圧差を拡大させることができ、それに伴い水移動量Ｑ２を急増させることができる。その結果、水移動量Ｑ１より水移動量Ｑ２を多くし、アノード３の水分を多くすることができ、すなわち、ドライアップを抑制することができる。
【００６０】
また、燃料電池システム１００は、ドライアップ抑制処理において、水素循環ポンプ５０の回転数を増加させて、水素循環ポンプ５０の仕事量を増加させ、燃料ガスを暖めているが、この際、可変レギュレータ２２０を制御し、循環流路Ｃにおいて、水素循環ポンプ５０に流入する燃料ガスの圧力を減圧させるようにしている。このようにすれば、水素循環ポンプ５０の回転数を増加させた場合に、燃料電池１０（アノード３）に供給される燃料ガス量が過剰になることを抑制することができる。
【００６１】
さらに、燃料電池システム１００は、ドライアップ抑制処理において、水素循環ポンプ５０の回転数を上昇させた後、排出湿度Ｈ１が所定値Ｔｈ１より下がると、水素循環ポンプ５０の回転数を減少（仕事量を減少）させ、排出湿度Ｈ２の湿度が所定値Ｔｈ２より高くなると、再度、水素循環ポンプ５０の回転数を上昇（仕事量を上昇）させるフィードバック制御を行うようにしている。このようにすれば、水素循環ポンプ５０の仕事量を無駄に増加させることなく、効率よく水素循環ポンプ５０で燃料ガスの温度を昇温させることができる。
【００６２】
また、燃料電池システム１００は、ドライアップ処理において、供給湿度Ｈ３が所定値Ｔｈ３より高い場合に、排出弁２４０を制御して、排出弁２４０を一定時間開弁させるようにしている。このようにすれば、循環流路Ｃやアノード流路２５中の水分を燃料電池システム１００の外部に排出することができ、アノード３に供給する燃料ガスの湿度を低下させることができる。その結果、燃料ガスによって効率よくアノード３の水分を持ち去ることができるので、水移動量Ｑ２を多くすることができる。
【００６３】
なお、アノード３は、請求項におけるアノードに該当し、カソード２は、請求項におけるカソードに該当する。燃料ガス導入流路２４は、請求項における燃料ガス導入流路に該当し、燃料ガス排出流路２６は、請求項における燃料ガス排出流路に該当し、接続流路２７は、請求項における接続流路に該当し、循環流路Ｃは、請求項における循環流路に該当する。水素循環ポンプ５０は、請求項における循環ポンプに該当し、仕事量増加制御部４１０は、請求項における仕事量増加制御部に該当し、可変レギュレータ２２０は、請求項における減圧弁に該当し、湿度検出部４２０は、請求項における第１湿度検出部、第２湿度検出部に該当し、排出弁２４０は、請求項における第２排出弁に該当し、排出弁制御部４３０は、請求項における排出弁制御部に該当し、ドライアップ判定部４４０は、請求項におけるドライアップ判定部に該当する。
【００６４】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システム１００Ａの構成：
図６は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１００Ａは、基本的に第１実施例の燃料電池システム１００と同様の構成である。しかし、燃料電池システム１００Ａは、循環流路Ｃ上であって燃料ガス導入流路２４上に燃料電池１０（アノード３）に供給する燃料ガスを加熱可能なヒータ９９が設けられ、制御回路４００において、仕事量増加制御部４１０の代わりにヒータ９９を制御するヒータ制御部４１０Ａが設けられている点で、燃料電池システム１００と相違する。そして、燃料電池システム１００Ａは、燃料電池システム１００とは異なるドライアップ抑制処理を実行する。以下に、本実施例のドライアップ抑制処理について説明するが、第１実施例のドライアップ抑制処理（図５）と同様の処理には、同じステップ番号を記しており、その詳細については、省略する。
【００６５】
Ｂ２．ドライアップ抑制処理：
図７は、本実施例の燃料電池システム１００Ａが行うドライアップ抑制処理のフローチャートである。この図７に示すドライアップ抑制処理では、ヒータ制御部４１０Ａは、ヒータ９９を制御して、燃料電池１０のアノード３に供給する燃料ガスを加熱させる（ステップＳ１１０Ａ）。また、湿度検出部４２０が排出湿度Ｈ１を検出（ステップＳ１２０）した後、ヒータ制御部４１０Ａは、排出湿度Ｈ１が所定値Ｔｈ１以上の場合（ステップＳ１３０Ａ：Ｎｏ）には、ステップＳ１２０の処理に戻る。一方、ヒータ制御部４１０Ａは、ヒータ制御部４１０Ａは、排出湿度Ｈ１が所定値Ｔｈ１より低くなった場合（ステップＳ１３０Ａ：Ｙｅｓ）には、ヒータ９９を制御し、燃料ガスの加熱を停止させる（ステップＳ１４０Ａ）。また、ヒータ制御部４１０Ａは、湿度検出部４２０が、排出湿度Ｈ２を検出（ステップＳ１５０）した後、排出湿度Ｈ２が所定値Ｔｈ２以下の場合（ステップＳ１６０Ａ：Ｎｏ）には、再度、ステップＳ１５０の処理で排出湿度Ｈ２が検出されるまで待機する。
【００６６】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００Ａでは、ドライアップ抑制処理（図７）において、ヒータ９９を用いて、アノード３に供給する燃料ガスの温度を上昇させるようにしている。このようにすれば、水素循環ポンプ５０と可変レギュレータ２２０との連動制御を行うことなく、容易に燃料ガスの温度を上昇させることができる。
【００６７】
上記ヒータ９９は、循環流路Ｃにおいて、燃料ガス導入流路２４上に設けられることに限られず、循環流路Ｃ上に設けられればよく、燃料ガス排出流路２６上や接続流路２７上に設けられていてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００６８】
なお、ヒータ９９は、請求項におけるヒータに該当し、ヒータ制御部４１０Ａは、請求項におけるヒータ制御部に該当する。
【００６９】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システム１００Ｂの構成：
図８は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの構成示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｂは、基本的に第１実施例の燃料電池システム１００と同様の構成である。しかし、燃料電池システム１００Ｂは、制御回路４００において、コンプレッサ３０を制御してカソード２に供給する酸化ガス流量を調整可能な酸化ガス制御部４５０が設けられている点で、燃料電池システム１００と相違する。そして、燃料電池システム１００Ｂは、燃料電池システム１００とは異なるドライアップ抑制処理を実行する。以下に、本実施例のドライアップ抑制処理について説明するが、第１実施例のドライアップ抑制処理（図５）と同様の処理には、同じステップ番号を記しており、その詳細については、省略する。
【００７０】
Ｃ２．ドライアップ抑制処理：
図９は、本実施例の燃料電池システム１００Ｂが行うドライアップ抑制処理のフローチャートである。この図９に示すドライアップ抑制処理では、仕事量増加制御部４１０が、水素循環ポンプ５０の回転数を上昇させる制御（ステップＳ１１０）を行う前において、酸化ガス制御部４５０は、コンプレッサ３０を制御して、カソード２に供給する酸化ガスの供給量（以下では、酸化ガス供給量Ｌと呼ぶ）をドライアップ抑制処理前と比較して減少させる（ステップＳ１０５）。このようにすれば、カソード２において、酸化ガスがカソード２で生じた生成水を持ち去ることを抑制することができ、カソード２の水分を多くし、すなわち、カソード２における水蒸気分圧を高くすることができ、それに伴い、アノード３とカソード２との間の水蒸気分圧差を拡大させることができる。そうすると、水移動量Ｑ２を増加させることができ、その結果、ドライアップを抑制することができる。なお、ドライアップ判定部４４０は、請求項におけるドライアップ判定部に該当する。
【００７１】
Ｄ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００７２】
Ｄ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池システム１００では、可変レギュレータ２２０が水素循環ポンプ５０と気液分離器７０との間に設けられているが、本発明はこれに限られるものではない。可変レギュレータ２２０は、循環流路Ｃのいずれかの場所に設けられていればよく、例えば、可変レギュレータ２２０は、接続流路２７において、水素循環ポンプ５０と接続部Ｇとの間や、燃料ガス導入流路２４において、接続部Ｇと燃料電池１０との間に設けるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００７３】
Ｄ２．変形例２：
図１０は、本発明の変形例１としての燃料電池システム１００Ｃの構成を示すブロック図である。上記第１実施例の燃料電池システム１００では、ドライアップ抑制処理において、水素循環ポンプ５０の回転数を増加させて、燃料ガスを暖める際、可変レギュレータ２２０を制御し、循環流路Ｃにおいて、水素循環ポンプ５０に流入する燃料ガスの圧力を減圧させるようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図１０に示す燃料電池システム１００Ｃのように、循環流路Ｃにおいて、可変レギュレータ２２０の代わりに、燃料電池システム１００の外部に燃料ガスを排出可能な排出弁２２０Ａを設けてもよい。そして、ドライアップ抑制処理において、仕事量増加制御部４１０は、水素循環ポンプ５０の回転数を上げて、燃料ガスを暖める際には、この排出弁２２０Ａを制御して、循環流路Ｃにおいて、水素循環ポンプ５０に流入する燃料ガスの圧力を減圧させるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。なお、この場合、排出弁２２０Ａの代わりにオリフィス弁を用いるようにしてもよい。排出弁２２０Ａまたはオリフィス弁は、請求項における第１排出弁部に該当する。
【００７４】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池システムは、循環流路Ｃ（接続流路２７）を備えているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上記燃料電池システムは、接続流路２７を備えない構成としてもよい。この場合、燃料電池システムは、燃料ガス導入流路２４上において、燃料電池１０のアノード３に供給する燃料ガスの温度を昇温させるための装置を設けるようにしてもよい。この装置としては、例えば、ヒータ等を用いることができる。そして、ドライアップ抑制処理において、この装置によって、アノード３に供給する燃料ガスの温度を昇温させる。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。この装置は、請求項における昇温部に該当する。
【００７５】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例において、制御回路４００は、ソフトウェアとして構成されているものを、ハードウェアとして構成するようにしてもよいし、ハードウェアとして構成されているものを、ソフトウェアとして構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池１０が備えるセルアセンブリ１５の概略断面図である。
【図３】アノード３およびカソード２間の水移動を説明するためにＭＥＡ１１を拡大した図である。
【図４】第１実施例の燃料電池システム１００が行う発電中処理のフローチャートである。
【図５】第１実施例の燃料電池システム１００が行うドライアップ抑制処理のフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成示すブロック図である。
【図７】第２実施例の燃料電池システム１００Ａが行うドライアップ抑制処理のフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの構成示すブロック図である。
【図９】第３実施例の燃料電池システム１００Ｂが行うドライアップ抑制処理のフローチャートである。
【図１０】本発明の変形例１としての燃料電池システム１００Ｃの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７７】
１...電解質膜
２...カソード
３...アノード
１０...燃料電池
１１...ＭＥＡ
１５...セルアセンブリ
２０...水素タンク
２４...燃料ガス導入流路
２６...燃料ガス排出流路
２７...接続流路
３０...コンプレッサ
３４...酸化ガス導入流路
３６...酸化ガス排出流路
５０...水素循環ポンプ
７０...気液分離器
８０，８５...湿度センサ
９９...ヒータ
１００,１００Ａ，１００Ｂ電池システム
２２０...可変レギュレータ
２４０...排出弁
４００...制御回路
４１０...仕事量増加制御部
４１０Ａ...ヒータ制御部
４２０...湿度検出部
４３０...排出弁制御部
４４０...ドライアップ判定部
４５０...酸化ガス制御部
Ｃ...循環流路
【図１】
2009016082.tif 000003
【図２】
2009016082.tif 000004
【図３】
2009016082.tif 000005
【図４】
2009016082.tif 000006
【図５】
2009016082.tif 000007
【図６】
2009016082.tif 000008
【図７】
2009016082.tif 000009
【図８】
2009016082.tif 000010
【図９】
2009016082.tif 000011
【図１０】
2009016082.tif 000012