(57)【要約】【課題】電解質膜の乾燥を適切に防ぐ燃料電池システムの制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池システムの制御装置（２５）は、燃料電池へ供給されるガスに関し、要求発電量に対応する標準ガスストイキ比を決定する標準決定手段と、燃料電池の温度を検知する温度検知手段（２１）と、燃料電池の運転状態を判断する状態判断手段と、上記温度検知手段により検知された温度から燃料電池の温度変化率を算出する算出手段と、上記状態判断手段により燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあると判断される場合には、燃料電池の温度が安定するように、上記算出手段により算出される温度変化率に応じて上記標準ガスストイキ比を補正する補正手段と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ供給されるガスに関し、要求発電量に対応する標準ガスストイキ比を決定する標準決定手段と、
前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、
前記燃料電池の運転状態を判断する状態判断手段と、
前記温度検知手段により検知された燃料電池の温度から前記燃料電池の温度変化率を算出する算出手段と、
前記状態判断手段により前記燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあると判断される場合には、前記燃料電池の温度が安定するように、前記算出手段により算出される温度変化率に応じて前記標準ガスストイキ比を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前回算出された温度変化率と今回算出された温度変化率との差を求め、
前記補正手段は、前記燃料電池の温度が安定するように、前記温度変化率の差に応じて前記標準ガスストイキ比を増減させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記補正手段は、前記温度変化率の差に応じた増減幅を決定し、この決定された増減幅分、前記標準ガスストイキ比を増減させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池の発電量を測定する電力測定手段を更に備え、
前記状態判断手段は、前記電力測定手段により測定された発電量及び前記温度検知手段により検知された温度に基づいて、前記燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあるか否かを判断する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記状態判断手段は、低発電かつ前記燃料電池の温度が高い場合に、前記燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあると判断することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関し、特に、燃料電池内の電解質膜の乾燥を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の各セルにおいて発電効率を維持するためには、プロトン（水素イオン）の移動を確保するために電解質膜を湿潤に保つ必要がある。電解質膜の乾燥は電解質膜の劣化にも繋がる。そこで、燃料電池システムには、この電解質膜、ガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））等から構成されるセルに加湿器で加湿されたガスを供給するよう構成されるものがある。
【０００３】
一方で、燃料電池システムは、車両に搭載される場合等には、軽量小型でかつ安価であることが望まれる。これにより、燃料電池システムにおいて、加湿器を持たない構成や容量の小さい加湿器を持つ構成が採られる。このような燃料電池システムでは、無加湿或いは低加湿状態のガスが燃料電池へ供給されるため、電解質膜を湿潤に保つための他の構成が必要となる。
【０００４】
下記特許文献１には、燃料電池システムにおいて電解質膜が乾燥していると判断すると、カソードに供給される空気供給量を常時に比べて少なくなるように制御することで水分の蒸発を抑制し、電解質膜の乾燥を防ぐ手法が提案されている。下記特許文献２には、酸化剤ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて電解質膜の乾燥を判定し、酸化剤ガスの供給量、圧力、温度を低下させることで電解質膜の乾燥を防ぐ手法が提案されている。下記特許文献３には、燃料電池システムにおいてセル電圧等から電解質膜の乾燥を判定し、セルの空気通路内の空気圧力を通常運転時よりも上昇させることにより電解質膜の乾燥を防ぐ手法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−４７４２７号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１５０６号公報
【特許文献３】特開２００６−２１０００４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、上述のような従来手法のうち空気供給量を少なくなるように制御して乾燥を防ぐ手法では、空気供給量が少なくなり過ぎると、逆に電解質膜の乾燥を促進させてしまう恐れがある。空気供給量が少なくなると水素又は酸素が不足することで発電電圧が低下しセルの発熱量が増える。更に、空気供給量が少ないことから排出ガスへの放熱効果も低下する。これにより、空気供給量が少なくなり過ぎると、スタック温度が上昇しセル乾燥を促進させてしまう場合がある。このように、上述のような従来手法では、電解質膜の乾燥を適切に防ぐことができない場面が存在する。
【０００６】
また、上述のような無加湿或いは低加湿状態のガスが燃料電池へ供給される構成を持つ燃料電池システムであっても、全運転状態においてセル乾燥が顕著となるわけではない。セル乾燥が顕著となる運転状態において、発電効率の低下や電解質膜の劣化といった問題が生じ易い。それゆえ、従来方法では運転状態が不安定になる問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、電解質膜の乾燥を適切に防ぐ燃料電池システムの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明は、燃料電池システムの制御装置に関するものであり、この制御装置は、燃料電池へ供給されるガスに関し、要求発電量に対応する標準ガスストイキ比を決定する標準決定手段と、燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、燃料電池の運転状態を判断する状態判断手段と、上記温度検知手段により検知された温度から燃料電池の温度変化率を算出する算出手段と、上記状態判断手段により燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあると判断される場合には、燃料電池の温度が安定するように、上記算出手段により算出される温度変化率に応じて標準ガスストイキ比を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、算出手段により燃料電池の温度変化率が算出される。この温度変化率は、例えば、所定の経過時間に対する温度の変化量の割合を示す。更に、標準決定手段により要求発電量に対応する標準ガスストイキ比が決定される。この標準ガスストイキ比とは、燃料電池へ供給されるガスについて、要求発電量に対応するように決められる理想供給量に対する、誤差等を含めた実際の供給量の比を示す。ガスストイキ比は例えばガス供給量を変化させることで制御される。更に、状態判断手段により燃料電池の運転状態が判断される。本発明では、補正手段により燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあると判断される場合には、上記標準ガスストイキ比が燃料電池の温度が安定するように補正される。
【００１０】
燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にある場合には、ガスストイキ比が高すぎても低すぎても燃料電池の温度が急上昇し電解質膜の乾燥を促進することがある。これは、要求発電量に対応するように決定された標準ガスストイキ比を用いて発電する場合においても同様である。これにより、本発明では、電解質膜の乾燥し易い運転状態にある場合とそうでない場合とに区別して、燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にある場合には、例えば通常運転時の発電に利用される標準ガスストイキ比を補正することにより、燃料電池の温度が安定するように制御される。
【００１１】
従って、本発明によれば、電解質膜の乾燥し易い運転状態ではより細かくガスストイキ比が制御されるため、運転状態に伴う電解質膜の乾燥を適切に防ぐことができる。これは、加湿器等のガスの湿度を制御する他の機器を備える燃料電池システムであってもそうでない燃料電池システムであっても同様であるが、ガスの湿度を制御する他の機器を備えない燃料電池システムにおいてより顕著である。
【００１２】
本発明において好ましくは、上記算出手段が前回算出された温度変化率と今回算出された温度変化率との差を求めるようにし、上記補正手段が、燃料電池の温度が安定するように、上記温度変化率の差に応じて上記標準ガスストイキ比を増減させるように構成する。
【００１３】
このような構成によれば、温度変化率の差に応じて、標準ガスストイキ比は増加されることもあれば、減少されることもある。このように標準ガスストイキ比を補正することで、温度変化率が小さくなるように制御され、電解質膜の乾燥を未然に防ぐことができる。
【００１４】
このような構成において更に好ましくは、上記補正手段が、上記温度変化率の差に応じた増減幅を決定し、この決定された増減幅分、上記標準ガスストイキ比を増減させるように構成する。
【００１５】
このような構成によれば、温度変化率の差が大きい場合には例えば増減幅を大きくし、温度変化率の差が小さい場合には例えば増減幅を小さくすることができる。これにより、補正後のガスストイキ比の値をより電解質膜の乾燥を防ぐための理想値に早く近づけることができる。よって、どのような運転状態にあっても一層電解質膜の乾燥を防止すること
ができる。
【００１６】
また、本発明において好ましくは、燃料電池の発電量を測定する電力測定手段を更に備えるように構成し、上記状態判断手段が、上記電力測定手段により測定された発電量及び上記温度検知手段により検知された温度に基づいて、燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあるか否かを判断するように構成する。このような構成において、上記状態判断手段が、低発電かつ燃料電池の温度が高い場合に、燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあると判断するようにしてもよい。
【００１７】
燃料電池は、スタック温度が高い程或いはガスストイキ比が高い程、持ち去り水蒸気量が大きくなり、電解質膜の乾燥が顕著となる特性を持つ。このような特性を判断基準として、燃料電池が電解質膜の乾燥し易い運転状態にあるか否かを判断することにより、標準ガスストイキ比を補正すべき運転状態を的確に判断することができる。
【００１８】
従って、本発明によれば、電解質膜の乾燥が促進されそうな運転状態を適切に判断し、このような運転状態において燃料電池の温度が安定するように制御されるため、適切に電解質膜の乾燥を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電解質膜の乾燥を適切に防ぐ燃料電池システムの制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における燃料電池システムについて説明する。なお、以下に述べる実施形態の構成は例示であり、本発明は以下の実施形態の構成に限定されない。
【００２１】
［本発明の実施形態の骨子］
まず、本発明の実施形態の詳細を説明する前に、図１、２及び３を参照しながら本発明の実施形態の骨子について説明する。図１は、スタック温度と発電量との関係に基づいて、燃料電池システムにおいて電解質膜の乾燥が顕著となる運転状態と通常運転状態とを示す図である。図１に示されるスタック温度とは、燃料電池スタックの温度である。
【００２２】
セルの乾燥（電解質膜の乾燥）は、持ち去り水蒸気量が多い場合、すなわち発電中にセルにて生成される水分量に対しセル内を流れるガスにより蒸発する水分量が多い場合に起こる。つまり、スタック温度が高い程或いはガスストイキ比が高い程、持ち去り水蒸気量が大きくなり、電解質膜の乾燥が顕著となる。このガスストイキ比とは、酸化剤ガス若しくは燃料ガスの燃料電池への要求供給量に対する実際供給量の比を示す。一般的に、ガスストイキ比は燃料電池システムの低発電運転時において高くなる傾向がある。逆に、発電量が大きいとセルのカソードで生成される生成水量が多くなるため、例えスタック温度が高い場合であってもセル乾燥が顕著とならない場合がある。
【００２３】
また、冷却水循環系（ラジエータや冷却水循環ポンプ等）を備える燃料電池システムでは、一般的に発電量が小さい場合は冷却水への放熱量も小さくスタック温度も低い。しかし、外気温度が極端に高い場合や渋滞時等ラジエータへの通風量が小さい場合には、低発電量時でも冷却水温度が上昇するためスタック温度が上昇しセル乾燥が生じる。
【００２４】
これにより、燃料電池システムの全運転状態のうち、セル乾燥が顕著となる運転状態は、図１の破線で囲まれる領域１に位置し、通常運転状態は実線で囲まれる領域２に位置するといえる。つまり、低発電運転時であってスタック温度がある程度高い運転状態におい
てセル乾燥が顕著となる。以降、このようなセル乾燥が顕著となる運転状態（図１の破線で囲まれる領域１）を乾燥注意状態１と表記する。本発明の実施形態における燃料電池システムは、運転状態がこの乾燥注意状態１に含まれるか否かを判断することにより、その時点での運転状態がセル乾燥が顕著となる運転状態であるか否かを判断する。
【００２５】
図２は、通常運転時のガスストイキ比と冷却水温度変化率との関係を示す図である。図２に示される冷却水温度変化率とは、所定の経過時間に対する温度の変化量の割合を示し、同図の通常時の標準ガスストイキ比とは、通常運転時の制御により要求発電量に対し決定されるガスストイキ比である。一般的には、標準ガスストイキ比は、各セルにおける出力特性のばらつきやガス供給量を制御する装置（エアコンプレッサ等）の特性を加味して、要求されるべき供給量（ガスストイキ比＝１）より大きい値となるように決定される。
【００２６】
図２に示すように、通常運転時には、ガスストイキ比が高い場合であっても、発電量が大きく生成水量が多くなる、又、排出ガスへの放熱効果も向上するためスタック温度が安定する。スタック温度が安定すれば当然に冷却水温度も安定する。よって、通常運転時には、燃料電池システムは、決定された標準ガスストイキ比となるように制御すればよい。なお、ガスストイキ比が低くなり過ぎる場合には、水素又は酸素が不足することで発電電圧が低下しセルの発熱量が増え、更にガス供給量が小さいことから排出ガスへの放熱効果も低下する。これにより、ガスストイキ比が低くなり過ぎる場合には、スタック温度が上昇するため冷却水温度上昇率が大きくなる。
【００２７】
図３は、電解質膜の乾燥が顕著となる運転状態におけるガスストイキ比と冷却水温度変化率との関係を示す図である。運転状態が乾燥注意状態にある場合には、図２の場面と異なり、ガスストイキ比が高くなり過ぎた場合にも冷却水温度変化率は大きくなる。つまり、運転状態が乾燥注意状態１にある場合には、ガスストイキ比が高すぎても低すぎてもスタック温度変化率が上昇し電解質膜の乾燥を引き起こすことになる。従って、運転状態が乾燥注意状態１にある場合には、冷却水温度が安定するように通常運転時に比べてより精密にガスストイキ比を制御する必要がある。なお、このような運転状態においては、通常時の標準ガスストイキ比は冷却水温度が最も安定する値よりも少し高い値となっている。
【００２８】
従って、本発明の実施形態における燃料電池システムは、セル乾燥が顕著となる運転状態にある場合には、通常時に決定される標準ガスストイキ比を冷却水温度が安定するようにすなわち冷却水温度変化率が低くなるように補正する。具体的には、図３に示される、標準ガスストイキ比を用いた発電時の制御点Ａから冷却水温度変化率が最も低くなる制御点Ｂへ移行するように制御される。
【００２９】
本発明の実施形態における燃料電池システムは、このように制御することにより、スタック温度を安定させ、電解質膜の乾燥を防ぐ。なお、制御されるガスストイキ比は、燃料ガス及び酸化剤ガス双方を対象としてもよいし、いずれか一方を対象とするようにしてもよい。また、本実施形態で実行される乾燥防止制御は、ガスストイキ比を補正することとしたが、ガス供給量を用いるようにしても同様であることは言うまでもない。この場合には、標準ガス供給量を求めるようにし、この標準ガス供給量を補正するようにすればよい。
【００３０】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態における燃料電池システムについて説明する。
【００３１】
〔システム構成〕
本発明の第一実施形態における燃料電池システムの構成について図４を用いて説明する。図４は、本発明の第一実施形態としての燃料電池システムの構成例を示す図である。本
実施形態における燃料電池システムは、燃料電池１０、エアコンプレッサ１１、圧力調整弁１３及び１７、燃料ガス供給装置１５、流量調整弁１６、燃料ガス循環ポンプ１８、冷却器２０、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２５（本発明の制御装置に相当する）、温
度センサ２１、電力量計２３等を備える。
【００３２】
エアコンプレッサ１１は、例えばエアフィルタ等を介して大気から取り込まれる空気を酸化剤ガスとして所定量分圧縮し、圧縮された空気を配管４１へ送り出す。なお、本発明は、エアコンプレッサ１１から送り出される酸化剤ガスは、このような圧縮空気に限定されるものではない。これにより、酸化剤ガスは、燃料電池１０の酸化剤ガス入口に繋がる酸化剤ガス供給用の配管４１を通り、燃料電池１０へ供給される。
【００３３】
燃料ガス供給装置１５は、燃料ガスとして例えば水素ガス、水素混合ガス等を供給する。燃料ガス供給装置１５から供給される燃料ガスは、流量調整弁１６により流量制御され、配管５１へ送り出される。
【００３４】
流量調整弁１６は、燃料ガス供給装置１５から供給される燃料ガスを燃料電池１０の要求発電量等に応じて所定流量分送り出す。流量調整弁１６を通過した燃料ガスは、燃料電池１０の燃料ガス入口に繋がる燃料ガス供給用の配管５１を通り、燃料電池１０へ供給される。
【００３５】
燃料電池１０は、電解質膜の両面をガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成されるセルが複数積層されることにより構成されている。なお、このセルでは、電解質膜と燃料ガス電極及び酸化剤ガス電極との接合体としてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を用いるようにしてもよいしＭＥＧＡ（Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いるようにしてもよい。
【００３６】
燃料電池１０は、各セルにおいてこのように供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行う。ここで発電に供されなかった燃料ガス（以降、アノードオフガスと表記する）はアノードオフガス出口から、発電に供されなかった酸化剤ガス（以降、カソードオフガスと表記する）はカソードオフガス出口からそれぞれ排出される。
【００３７】
圧力調整弁１３は、燃料電池１０のカソードオフガス出口に繋がる配管４４と配管４６との間に配置され、カソードオフガスの背圧を調整する。圧力調整弁１３を通過したカソードオフガスは、配管４６へ送り出され、排気経路（図示せず）等へ送り出される。
【００３８】
一方、アノードオフガス出口に繋がる配管５２には、圧力調整弁１７が配置される。圧力調整弁１７は、アノードオフガスの背圧を調整する。圧力調整弁１７を通過したアノードオフガスは、配管５４へ送り出され、燃料ガス循環ポンプ１８へ送られる。
【００３９】
燃料ガス循環ポンプ１８は、回転駆動用のモータ等を備え、圧力調整弁１７に繋がる配管５４とアノードオフガスを再度燃料電池１０へ循環させる配管５７との間に配置される。燃料ガス循環ポンプ１８は、配管５４を通るアノードオフガスを燃料電池１０へ再供給するために、当該アノードオフガスを配管５７へ送り出す。配管５７を通るアノードオフガスは、燃料ガス供給装置１５から供給される燃料ガスと配管５１により混合され、燃料電池１０へ再供給される。
【００４０】
このように、本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池１０から発電に供されず送出されたアノードオフガスが再び燃料電池１０へ供給されるアノードオフガス循環
経路が形成されている。しかしながら、本発明は、このようなアノードオフガス循環経路を持つ燃料電池システムに限定されるものではなく、当該燃料電池システムは、アノードオフガス循環経路を持たないよう構成されてもよい。
【００４１】
更に、燃料電池１０には当該燃料電池を適温で動作させるために冷却液（冷却水）が供給される。燃料電池１０内では、この冷却水が例えばセル間に設けられる冷却板を通過する際にセルの発する熱を奪い、冷却水出口から燃料電池１０の外へ送出される。冷却水出口から送出された冷却水は、冷却水出口に繋がる配管６１を通り、冷却器２０に送られる。
【００４２】
冷却器２０は、燃料電池１０の各セルから熱を奪うことで加熱された冷却水を配管６１から取り込み、取り込まれた冷却水を冷却する。冷却器２０は、内部に備えられる冷却ファン等から送られる風により配管６１から取り込まれた冷却水を冷却し、冷却された冷却水を配管６２に送り出す。配管６２へ送り出された冷却水は、燃料電池１０へ再供給される。
【００４３】
このように、本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池１０内の各セルの熱を奪い加熱された冷却水が冷却器２０により冷却され、再度燃料電池１０へ供給されるという冷却水循環系を持つ。
【００４４】
本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池１０の運転温度を推定するために、このような冷却水循環系において燃料電池１０の出口付近に温度センサ２１が設置される。温度センサ２１は、燃料電池１０の各セルから熱を奪うことで加熱され燃料電池１０から出された冷却水の温度を検出する。検出された冷却水の温度はＥＣＵ２５へ送られる。
【００４５】
なお、本発明は、燃料電池１０の各セルの発する熱が反映された冷却水の温度を測定することができれば、この温度センサ２１の設置位置や温度検出原理等を限定するものではない。従って、温度センサ２１は、燃料電池１０内の各セルを通過した冷却水が流れる排出路に設けられるようにしてもよい。更に言えば、本発明は、燃料電池１０の運転温度を測定することができれば、冷却水の温度でなくてもよく、燃料電池１０内の温度や燃料電池１０自体の所定箇所の温度が測定されるようにしてもよい。
【００４６】
本実施形態における燃料電池システムは、更に、燃料電池１０における発電量を計測するために電力量計２３を備える。例えば、電力量計２３は、燃料電池１０の出力端子と負荷装置（図示せず）とを接続させる電力線に設置される。計測された電力量はＥＣＵ２５へ送られる。なお、本発明は、燃料電池１０の発電量を測定することができれば、この電力量計２３の設置位置や測定原理等を限定するものではない。また、燃料電池１０の発電量として、燃料電池１０から出力される電流若しくは電圧を計測するようにしてもよい。
【００４７】
ＥＣＵ２５は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェース等
により構成される。ＥＣＵ２５は、メモリに格納された制御プログラムをＣＰＵに実行させることにより乾燥防止制御を行う。このＥＣＵ２５により実行される乾燥防止制御は、上述の［本発明の実施形態の骨子］で説明したとおりである。すなわち、ＥＣＵ２５は、温度センサ２１から送られる冷却水温度及び電力量計２３から送られる発電量に基づいて、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態１か否かを判断する。ＥＣＵ２５は、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態１であると判断すると、冷却水温度変化率に応じて標準ガスストイキ比を補正し、補正されたガスストイキ比により燃料電池１０の発電を継続させる。
【００４８】
ＥＣＵ２５によるガスストイキ比の制御対象は、燃料ガス及び酸化剤ガス双方を対象としてもよいし、いずれか一方を対象とするようにしてもよい。ＥＣＵ２５は、酸化剤ガスのストイキ比を制御する場合には、エアコンプレッサ１１から出力される酸化剤ガス流量を変化させるようにしてもよいし、圧力調整弁１３を通過するカソードオフガスの流量を変化させるようにしてもよい。燃料ガスのストイキ比を制御する場合には、ＥＣＵ２５は、燃料ガス循環ポンプ１８のモータの回転数を制御することにより循環されるアノードオフガス流量を変化させるようにしてもよいし、流量調整弁１６により燃料ガスの供給流量を変化させるようにしてもよいし、圧力調整弁１７を通過するアノードオフガスの流量を変化させるようにしてもよい。本発明は、決定されたガスストイキ比の実現手法を限定するものではないため、上記のいずれか１つの手法を採るようにしてもよいし、全ての手法を併せて実行するようにしてもよいし、上記以外の手法を採るようにしてもよい。ガスストイキ比の実現手法によって上述のシステム構成も変わるものである。
【００４９】
〔動作例〕
以下、本実施形態における燃料電池システムの動作例について図５を用いて説明する。図５は、第一実施形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【００５０】
ＥＣＵ２５は、負荷装置等を制御する制御装置（図示せず）から必要な電力量の要求を逐次若しくは所定の周期で受けている（Ｓ４０１）。ＥＣＵ２５は、この要求に応じて、燃料電池１０で発電すべき発電量を決定する（Ｓ４０２）。このとき、ＥＣＵ２５は、例えば、他の動力源により供給される電力量との関係から燃料電池１０で供給すべき発電量を決定する。
【００５１】
ＥＣＵ２５は、燃料電池１０において供給すべき発電量を決定すると、その発電量に対応する標準ガスストイキ比を決定する（Ｓ４０３）。例えば、ＥＣＵ２５は、メモリ等に保持される制御マップ等に基づいて、必要な発電量との関係から標準ガスストイキ比を決定する。なお、本発明は、この標準ガスストイキ比の決定手法を限定するものではない。ＥＣＵ２５は、このように決定された標準ガスストイキ比に基づいて、燃料電池の発電が行われるように制御する。もちろん、必要な電力量が燃料電池１０において発電されるようにするのに、このようなガスストイキ比以外の要素が併せて用いられてもよい。このとき、本実施形態における燃料電池システムは、エアコンプレッサ１１、圧力調整弁１３及び１７、燃料ガス循環ポンプ１８、流量調整弁１６が上記標準ガスストイキ比を満たすように制御され、全体として以下のように動作する。
【００５２】
エアコンプレッサ１１は酸化剤ガスを所定流量分圧縮し配管４１へ送り出す。酸化剤ガスは配管４１を通り燃料電池１０内の各セルのカソードに供給される。圧力調整弁１３は、燃料電池１０から送出されるカソードオフガスの背圧を調整している。一方で、流量調整弁１６は、燃料ガス供給装置２１から供給される燃料ガスの流量を調整し配管５１へ送り出す。燃料ガスは配管５１を通り燃料電池１０内の各セルのアノードに供給される。圧力調整弁１７は、燃料電池１０から送出されるアノードオフガスの背圧を調整している。燃料ガス循環ポンプ１８は、圧力調整弁１７を通過したアノードオフガスを所定の圧力で配管５７へ送り出している。配管５７を通るアノードオフガスは、燃料ガス供給装置１５から供給される燃料ガスと配管５１により混合され、燃料電池１０へ再供給されている。
【００５３】
燃料電池１０内の各セルでは、このように供給された燃料ガスと酸化剤ガスとが、電解質膜を介してそれぞれ反応し発電が行われている。電力量計２３は、このようにして燃料電池１０により発電された電力量を計測し、計測結果をＥＣＵ２５へ逐次若しくは所定の周期で送る。
【００５４】
燃料電池１０内の各セルでは発電に伴い発熱が起こる。この発熱によりセルが高温とな
りセルの電解質膜が乾燥するのを防ぐために、燃料電池スタック１０内には冷却器２０により冷却された冷却水が送り込まれている。冷却水は、燃料電池１０内の各セルにより発せられた熱を奪い、燃料電池１０から排出されている。温度センサ２１は、この燃料電池１０内から送出された冷却水の温度を検出し、検出結果をＥＣＵ２５へ逐次若しくは所定の周期で送る。
【００５５】
ＥＣＵ２５は、温度センサ２１からの出力信号及び電力量計２３からの出力信号を取得する（Ｓ４０４）。ＥＣＵ２５は、温度センサ２１からの出力信号の示す冷却水温度をメモリ等に都度保持する。保持される冷却水温度は後述する冷却水温度変化率を算出するために用いられる。
【００５６】
ＥＣＵ２５は、この冷却水温度と電力量計２３からの出力信号の示す発電量とに基づいて、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態か否かを判断する（Ｓ４０５）。具体的には、メモリ等に保持される図１の情報に基づいて、ＥＣＵ２５は、取得された冷却水温度（スタック温度）と発電量とが乾燥注意状態を示す領域１内に含まれるか否かを判断する。ＥＣＵ２５は、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態ではないと判断すると（Ｓ４０５；ＮＯ）、標準ガスストイキ比をそのまま用いて発電を続けさせる（Ｓ４３０）。このようにしても、図２に示されるように、冷却水温度変化率が電解質膜の乾燥状態が顕著となる程上昇しないからである。
【００５７】
ＥＣＵ２５は、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態であると判断すると（Ｓ４０５；ＹＥＳ）、先に決定された標準ガスストイキ比を以下のように補正する。このとき、冷却水温度変化率とガスストイキ比との関係は図３の制御点Ａ近辺に位置する。ＥＣＵ２５は、この制御点Ａが制御点Ｂへ移行されるように、標準ガスストイキ比を補正する。
【００５８】
これにはまず、ＥＣＵ２５は、冷却水温度の変化率（ＴN）を算出する（Ｓ４０６）。
このとき、温度センサ２１から送られて保持される冷却水温度情報の履歴データが利用される。ＥＣＵ２５は、算出された冷却水温度の変化率（ＴN）をメモリ等にその都度保持
する。ＥＣＵ２５は、このように保持される前回の冷却水温度変化率（ＴN-1）と今回算
出された冷却水温度変化率（ＴN）の差（ＴN−ＴN-1）を求める（Ｓ４０７）。
【００５９】
続いて、ＥＣＵ２５は、連続処理フラグがＯＮとなっているか否かを判定する（Ｓ４０８）。連続処理フラグの初期値はＯＦＦとなっている。ＥＣＵ２５は、連続処理フラグがＯＦＦとなっていると判断すると（Ｓ４０８；ＮＯ）、冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）を第１閾値と比較する（Ｓ４２０）。
【００６０】
ＥＣＵ２５は、冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）が第１閾値より小さいと判断すると（Ｓ４２０；ＹＥＳ）、標準ガスストイキ比を所定量増加させ（Ｓ４２１）、連続処理フラグをＯＮに設定する（Ｓ４２２）。逆に、ＥＣＵ２５は、冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）が第１閾値より小さくなく（Ｓ４２０；ＮＯ）、第２閾値より大きいと判断すると（Ｓ４２３；ＹＥＳ）、標準ガスストイキ比を所定量減少させる（Ｓ４２４）。このとき、連続処理フラグはＯＦＦのままとなる。
【００６１】
一方、ＥＣＵ２５は、連続処理フラグがＯＮに設定されており（Ｓ４０８；ＹＥＳ）、冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）が第１閾値より小さいと判断すると（Ｓ４１０；ＹＥＳ）、標準ガスストイキ比を所定量減少させ（Ｓ４１１）、連続処理フラグをＯＦＦに設定する（Ｓ４１２）。ＥＣＵ２５は、冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）が第１閾値より小さくなく（Ｓ４１０；ＮＯ）、第２閾値より大きいと判断すると（Ｓ４１３；ＹＥＳ）、標準ガスストイキ比を所定量増加させる（Ｓ４１４）。このとき、連続処理フラグはＯＮのままとなる。
【００６２】
ＥＣＵ２５は、このように標準ガスストイキ比が補正された場合には、その補正されたガスストイキ比により発電されるように制御する（Ｓ４３５）。なお、上記第１閾値及び第２閾値、並びにガスストイキ比を増減させる所定量はそれぞれ燃料電池１０を構成するセルの出力特性及びその他のガスストイキの制御に利用される機器の特性に応じて予め決められ、メモリ等に調整可能に保持される。このような処理が完了すると、再度Ｓ４０１から繰り返し実行される。
【００６３】
〈第一実施形態の作用及び効果〉
以下、上述した第一実施形態としての燃料電池システムの作用及び効果について述べる。
【００６４】
本実施形態における燃料電池システムでは、電力量計２３により燃料電池１０で発電される電力量が測定され、温度センサ２１により各セルと熱交換し燃料電池１０から送出された冷却水の温度が検出される。
【００６５】
ＥＣＵ２５では、この検出された冷却水温度に基づいて冷却水温度変化率が算出される。また、ＥＣＵ２５では、燃料電池１０により要求電力量が発電されるようにガスストイキ比等が制御される。このとき決定されるガスストイキ比は、要求電力量により決まる標準ガスストイキ比である。
【００６６】
本実施形態における燃料電池システムでは、発電量及び冷却水温度に基づいて、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態か否かが判断され、乾燥注意状態であれば先に決定された標準ガスストイキ比が冷却水温度変化率に応じて補正される。一方、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態にない場合には標準ガスストイキ比のまま発電が継続される。
【００６７】
これにより、本実施形態における燃料電池システムによれば、電解質膜の乾燥が顕著となる運転状態にある場合には通常運転時に決定される標準ガスストイキ比が更に電解質膜の乾燥を防ぐように制御される。従って、そのような運転状態においても、ガスストイキ比がより細かく制御されるため、電解質膜の乾燥を促進させることを防ぎ、問題となる程の電解質膜の乾燥を未然に防ぐことができる。
【００６８】
［第二実施形態］
以下、本発明の第二実施形態における燃料電池システムについて説明する。上述の第一実施形態における燃料電池システムでは、予め決められた所定量分、ガスストイキ比を増減させると説明した。第二実施形態における燃料電池システムは、このガスストイキ比を増減させる量を冷却水温度変化率の差に応じて取得する。
【００６９】
〔システム構成〕
本発明の第二実施形態における燃料電池システムの構成は、図４に示される第一実施形態と同様である。よって、ここでは説明を省略する。なお、ＥＣＵ２５によるセル乾燥防止制御の内容が変わるため、この変更点について以下の〔動作例〕の項にて説明する。
【００７０】
〔動作例〕
以下、第二実施形態における燃料電池システムの動作例について図６を用いて説明する。図６は、第二実施形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。ＥＣＵ２５により冷却水温度変化率の前回との差（ＴN−ＴN-1）が算出される（Ｓ４０７）までは、第一実施形態と同じである。
【００７１】
第二実施形態における燃料電池システムでは、ＥＣＵ２５がこの算出された冷却水温度
変化率の差（ＴN−ＴN-1）に基づいてガスストイキ比の増減幅（γ）を決定する（Ｓ６０１）。このとき、ＥＣＵ２５は、メモリに予め保持される冷却水温度変化率の差（ＴN−
ＴN-1）とガスストイキ比増減幅（γ）との関係情報を用いる。図７は、冷却水温度変化
率の差（ＴN−ＴN-1）とガスストイキ比増減幅（γ）との関係の例を示す図である。図７の例では、冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）とガスストイキ比増減幅（γ）との関係は比例関係となる。ＥＣＵ２５は、例えば、このような関係式を用いてガスストイキ比の増減幅（γ）を算出する。
【００７２】
ＥＣＵ２５は、標準ガスストイキ比を補正する場合には、このように決定されたガスストイキ比の増減幅（γ）を用いて、ガスストイキ比を減少（Ｓ４１１、Ｓ４２４）若しくは増加（Ｓ４１４、Ｓ４２１）させる。ＥＣＵ２５は、冷却水温度変化率の前回との差が大きい場合すなわち図３に示す制御点Ｂから離れた状態の場合には大きく標準ガスストイキ比を補正し、冷却水温度変化率の前回との差が小さい場合すなわち図３に示す制御点Ｂに近い状態の場合には小さく標準ガスストイキ比を補正する。
【００７３】
第二実施形態における燃料電池システムは、このように制御することにより、第一実施形態に比べてより理想の制御点に近づけることができるため、電解質膜の乾燥を適切に防ぐことができる。
【００７４】
〈第二実施形態の作用及び効果〉
以下、上述した第二実施形態としての燃料電池システムの作用及び効果について述べる。
【００７５】
本実施形態における燃料電池システムでは、前回算出された冷却水温度変化率と今回算出された冷却水温度変化率との差（ＴN−ＴN-1）に対応するようにガスストイキ比増減幅（γ）が決定される。燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態にある場合に、このガスストイキ比増減幅（γ）分、先に決定された標準ガスストイキ比が補正される。
【００７６】
これにより、本実施形態における燃料電池システムによれば、電解質膜の乾燥が顕著となる運転状態にある場合には通常運転時と比べてより細かくかつ理想点により近づくようにガスストイキ比が制御されるため、電解質膜の乾燥を未然に防止することができる。
【００７７】
［変形例］
上述の第一実施形態及び第二実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池１０における必要発電量に対応する標準ガスストイキ比が決定される制御周期と同じ周期において、標準ガスストイキ比の補正が実行されていた。つまり、標準ガスストイキ比に関し、決定周期と補正周期とが同じであった。
【００７８】
しかしながら、補正周期を決定周期より短くなるように制御されてもよい。具体的には、図５及び６の処理フローにおいて、Ｓ４０４からＳ４３５が複数回ループされるようにしてもよい。この場合には、補正されたガスストイキ比で発電されるように制御された後（Ｓ４３５）、Ｓ４０４に戻り再度燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態であれば再度標準ガスストイキ比が補正される。
【００７９】
このようにすれば、燃料電池１０の運転状態が乾燥注意状態にある場合で、要求される発電量が長い時間一定に保たれる場合においても、図３に示す制御点Ｂに近づくまで標準ガスストイキ比が補正されるようになるため、電解質膜の乾燥を未然に防止することができる。
【００８０】
また、上述の第一実施形態及び第二実施形態における燃料電池システムでは、前回算出
された冷却水温度変化率と今回算出された冷却水温度変化率との差（ＴN−ＴN-1）に基づいて、標準ガスストイキ比の増減若しくは増減幅（γ）が決定されていた。
【００８１】
しかしながら、その時点での冷却水温度変化率（変化量）に基づいて、標準ガスストイキ比の増減若しくは増減幅（γ）を決定するようにしてもよい。冷却水温度変化量が大きい場合に冷却水温度変化率の前回との差が大きい場合と同様の処理とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】スタック温度と発電量との関係に基づいて、燃料電池システムにおいて電解質膜の乾燥が顕著となる運転状態と通常運転状態とを示す図である。
【図２】通常運転時のガスストイキ比と冷却水温度変化率との関係を示す図である。
【図３】電解質膜の乾燥が顕著となる運転状態におけるガスストイキ比と冷却水温度変化率との関係を示す図である。
【図４】本発明の第一実施形態としての燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図５】第一実施形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図６】第二実施形態における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】冷却水温度変化率の差（ＴN−ＴN-1）とガスストイキ比増減幅（γ）との関係の例を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０  燃料電池
１１  エアコンプレッサ
１３、１７  圧力調整弁
１５  燃料ガス供給装置
１６  流量調整弁
１８  燃料ガス循環ポンプ
２０  冷却器
２１  温度センサ
２３  電力量計
２５  ＥＣＵ（Electric Control Unit）
４１、４４、４６、５１、５２、５４、５７、６１、６２  配管
【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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