JP2009048839A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性が向上した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】イオン液体を電解質として用いる燃料電池と、燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給手段と、燃料電池を構成する燃料電池セルの温度を検知する温度検知手段と、空気供給手段の吐出空気と燃料電池セルの温度を調整する温度調整手段と、燃料電池から出力される電力と燃料電池に対し要求される電力との差を充放電により補償するとともに補器類を駆動する、燃料電池と並列に接続される２次電池と、燃料電池の起動から燃料電池の温度が水の沸点に達するまでの間に燃料電池内において生成した凝縮水の発生を検知または予測する手段Ｓ２２０と、凝縮水の発生を検知または予測する手段により凝縮水の発生を検知または予測したときに凝縮水をドライアウトさせる手段Ｓ２４０と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、凝縮水の生成を防ぐことにより燃料電池の耐久性を向上させた燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池は、発電効率が高く、環境有害物質の放出もほとんどない理想的な発電装置として注目されており、車両駆動用電源や定置用電源など幅広い用途に向けて実用化が期待されている。

現在、開発が進められている燃料電池としては、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell。以下ＰＥＦＣと称する。）がある。一般に、ＰＥＦＣの高分子電解質にはパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質が使用されている。しかし、優れた化学的安定性とイオン伝導性を兼ね備えるパーフルオロスルホン酸系電解質膜の製造は困難で、非常にコストがかかるという問題がある。さらに、現状のＰＥＦＣは、実質的に使用できる温度が１００℃以下に制限されるという問題がある。すなわち、用いられるフッ素系膜が１２０℃〜１３０℃付近にガラス転移点を有し、これよりも高温にするとプロトン伝導に寄与するイオンチャネル構造の維持が困難となる。また、水をプロトン伝導媒体として使用するため、水の沸点である１００℃を超えると加圧が必要となり装置が大がかりとなる。一方、使用時の温度が低いと、燃料電池の発電効率を低下させるとともに触媒のＣＯによる被毒が顕著となるという問題がある。

コスト削減と高耐熱性を兼ねる固体高分子電解質として、フッ素膜の代わりに芳香族単価水素系高分子材料の適用が検討されているが、水をプロトン伝導媒体として使用するため、フッ素膜を用いる場合と同様に、水の沸点である１００℃を超えると加圧が必要となり、装置が大がかりとなるという問題は解消されない。

そこで、高耐熱性を有し、水をプロトン伝導媒体として使用しない電解質としてイオン液体が検討されている。イオン液体は、イオン性物質でありながら融点が低く、常温で液体であるという性質を有する。したがって、プロトン伝導媒体として水を使用する必要がない。

しかし、イオン液体を用いて電解質膜を作成した場合であっても、起動時など燃料電池が１００℃以下の温度のときにおいて、燃料電池反応に伴って生成する凝縮水に同伴して、イオン液体がイオン液体を閉じ込めた高分子網目から漏れ出るという現象がある。この結果、高分子網目内のイオン液体濃度が水によって序々に薄められ、燃料電池の温度を使用温度である１００℃以上に上げたときに高分子網目内の水が蒸発し、水素クロスリークや電解質膜のイオン伝導度を低下させるという燃料電池の劣化を引き起こすという問題がある。

特許文献１には、従来のＰＥＦＣシステムにおいて燃料電池内部の生成水量と排出水量をコントロールしてフラッディングを防止する構成が記載されているが、プロトン伝導に水を介するパーフルオン酸を電解質に用いているため、電極触媒層内部や電解質膜にある程度の割合で水を残しておく必要があり、燃料電池内部の水を全てドライアウトすることはできない。
特開２００４−３４２４７３号公報 特開平６−９３１１４号公報 特開平９−２４５８１８号公報 特開平１１−１１６６７９号公報 特開平１１−６７２２４４号公報 特開平１１−５１０１９８号公報 特開平９−１１０９８２号公報 特開２００３−１２３７９１号公報 大野弘幸監修、「イオン性液体」、シーエムシー出版、2003年2月、p.172-201

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、１００℃以下の状態において燃料電池反応に伴って発生する凝縮水をドライアウトすることにより、燃料電池の温度を使用温度である１００℃以上に上げたときに高分子網目内の水が蒸発し、水素クロスリークや電解質膜のイオン伝導度を低下させるといった燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、イオン液体を電解質として用いる燃料電池と、燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給手段と、燃料電池を構成する燃料電池セルの温度を検知する温度検知手段と、空気供給手段の吐出空気と燃料電池セルの温度を調整する温度調整手段と、燃料電池から出力される電力と燃料電池に対し要求される電力との差を充放電により補償するとともに補器類を駆動する、燃料電池と並列に接続される２次電池と、燃料電池の起動から燃料電池の温度が水の沸点に達するまでの間に燃料電池内において生成した凝縮水の発生を検知または予測する手段と、凝縮水の発生を検知または予測する手段により凝縮水の発生を検知または予測したときに凝縮水をドライアウトさせる手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、１００℃以下における燃料電池運転時に燃料電池反応によって発生する凝縮水によってイオン液体が薄められることを防止することができるため、燃料電池の耐久性が向上する。

以下、添付した図面を用いて、本発明に係る燃料電池システムについて説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示したものである。第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１１０、燃料電池セルの温度を計測する熱電対１１１、燃料電池のカソード極の圧力を計測する圧力計１１２、燃料電池のアノード極に供給する水素を蓄える水素タンク１７０、水素タンク１７０と燃料電池１１０の間に設けられ、水素タンク１７０から供給される高圧の水素を燃料電池１１０に供給する圧力まで低下させるプレッシャレギュレータ１６０、プレッシャレギュレータ１６０と燃料電池１１０の間に設けられ、水素タンク１７０から供給される氷点下の温度の水素ガスを昇温する熱交換器１４１、燃料電池のカソード極に外部の空気を供給するコンプレッサ１３０、燃料電池とコンプレッサの間に設けられコンプレッサからの吐出空気の温度を制御する熱交換器１４０、熱交換器１４０、１４１内および燃料電池内に液体熱媒体を循環させる熱媒ポンプ１５０、２次電池１２０、燃料電池および２次電池から得た直流電力を用途に応じた交流電力に変換するインバータ１９０、システム全体の構成要素を制御するコントロールユニット１９５からなりうる。

燃料電池１１０は燃料電池セルが複数積層された構造を有する。燃料電池セルは、ガス拡散層、カソード触媒層、電界質膜、アノード触媒層およびガス拡散層が積層した膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と称する。）をセパレータで狭持した構造を有する。電界質層はイオン液体を膜化することによってなる。イオン液体の膜化は、イオン液体中にアクリル系のモノマーを溶解し、網目構造の高分子をその場で重合することにより高分子網目の中にイオン液体を閉じ込めることによって実現される。

コンプレッサ１３０は、燃料電池のカソード極に外部の空気を供給する。燃料電池に供給する空気の流量は、コントロールユニット１９５がコンプレッサを制御することにより調整する。コンプレッサは、燃料電池に供給するために出力する空気の流量を自身で計測しうる。

熱交換器１４０は、コンプレッサ１３０から供給される空気の温度を調節する。空気の温度は、熱媒タンク１８０から熱交換器１４０に供給する熱媒の量を熱媒ポンプ１５０により調整することにより調整する。コントロールユニット１９５は、熱媒ポンプ１５０を制御する。また、燃料電池セルの温度は、熱媒タンク１８０から燃料電池に供給する熱媒の量を熱媒ポンプ１５０により調整することにより調整しうる。また、燃料電池セルの温度は、燃料電池の外部に設けたヒーター１４２によっても上昇させうる。

２次電池１２０は、燃料電池と並列に接続され、システムから要求される電力と燃料電池が出力する電力に差がある場合に、燃料電池が出力する電力の方が大きいときは充電され、燃料電池が出力する電力の方が小さいときは放電する。すなわち、燃料電池の補助電源としての機能を有する。また、２次電池１２０は補器類の電源としての機能も兼ねる。補器類とは、コンプレッサ１３０、プレッシャレギュレータ１６０、インバータ１９０、コントロールユニット１９５を含みうる。２次電池の種類は限定されないが、リチウムイオン双極型２次電池でありうる。

インバータ１９０は、燃料電池１１０および２次電池１２０から供給される電力を交流電圧に変換する機能を有する。インバータの種類は限定されないが、３相交流モータを駆動する３相交流インバータでありうる。

コントロールユニット１９５は、システム全体の構成要素を制御する機能を有する。コントロールユニット１９５は、演算・制御装置、記憶装置、入出力装置を有する半導体チップからなってもよい。

図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートを示すものである。以下、ステップ番号ごとに、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を現すフローチャートについて詳細に説明する。

〔ステップＳ２００〕
２次電池に充電された電力によりコンプレッサを起動する。コンプレッサは約１８０℃の高温の空気を熱交換器に対し排出する。

〔ステップＳ２１０〕
燃料電池を昇温する。燃料電池は、１２０℃を定常時の運転温度とするため、コンプレッサから吐出された空気は、その温度を熱交換器により１２０℃にまで低下させた後、燃料電池に供給される。運転開始時の燃料電池の温度は、通常、定常時の運転温度を下回っている。燃料電池の温度は、熱交換器を通過した高温の空気の熱によって上昇させるが、定常時の運転温度に達した後は、定常時の運転温度に暖機する。

〔ステップＳ２２０〕
凝縮水生成予想サブルーチンにより、燃料電池の内部において凝縮水が発生しているかどうかを予想する。

図３は、凝縮水生成予想サブルーチンを示したものである。以下、ステップごとに凝縮水生成予想サブルーチンについて詳細に説明する。

〔ステップＳ３００〕
システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣを検知する。要求出力Ｗ_ｄｅｍは、例えば、燃料電池が自動車に搭載されている場合であれば、アクセル開度から算出される値である。燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣは、燃料電池セル内部に設置された熱電対により検知しうる。熱電対は、燃料電池セルごとに設置してもよいし、燃料電池セル一つに複数設置してもよい。後者の場合は、Ｔ_ＦＣの値は、複数の熱電対から得られる値の平均値としてもよいし、代表として設置した一つの熱電対から得られる値としてもよい。

〔ステップＳ３１０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおける燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を算出する。燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}の算出は、あらかじめ計測し、変換テーブルを作成し、保存しておいた（以下、このような作業を「マップ化」と称する。）燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣごとの燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣと燃料電池の出力Ｗ_ＦＣとの関係のデータを用いて行う。マップ化における保存は、コントロールユニットの構成要素である記憶装置に記憶させることにより行ってもよい。

図４は、燃料電池のある温度Ｔ_ＦＣにおける燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣと燃料電池の出力Ｗ_ＦＣとの関係（以下、「Ｉ−Ｗカーブ」と称する）を示したものである。一般に、Ｉ−Ｗカーブは燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣよって変わる。したがって、ステップ番号Ｓ３００において検知した燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおけるＩ−Ｗカーブを使用して燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を算出する。

Ｉ−Ｗカーブを使用する際は、Ｉ−Ｗカーブのデータを保存した記憶装置からデータを読み出し、コントロールユニットの演算・制御装置によって燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を算出してもよい。

〔ステップＳ３２０〕
燃料電池システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}の値を比較する。

〔ステップＳ３３０〕
要求出力Ｗ_ｄｅｍの方が最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}よりも大きい場合は、システムに対する要求出力に対してその時点における燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣでは応えられないと判断し、最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を燃料電池の出力Ｗ_{ＦＣｏｕｔ}とする。そして、燃料電池に最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を出力させ、電力の不足分を補償する２次電池の負担を可能な限り小さくする。

〔ステップＳ３４０〕
最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}方が要求出力Ｗ_ｄｅｍよりも大きい場合は、システムに対する要求出力に対して、燃料電池の出力のみで応えることができると判断し、要求出力Ｗ_ｄｅｍを燃料電池の出力Ｗ_{ＦＣｏｕｔ}とする。

ここで、ステップ番号Ｓ３３０またはＳ３４０で求めた燃料電池の出力をＷ_{ＦＣｏｕｔ}と定義する。

〔ステップＳ３５０〕
燃料電池出力がＷ_{ＦＣｏｕｔ}であるときの燃料電池カソード極における予想生成水量Ｍ_０、および必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}を算出する。予想生成水量Ｍ_０は、次のように算出する。まず、燃料電池出力がＷ_{ＦＣｏｕｔ}であるときの、燃料電池の電流値Ｉ_{ＦＣｏｕｔ}をあらかじめマップ化しておいたＩ−Ｗカーブ（図３参照）のデータから読み込む。生成水量Ｍ_０と燃料電池の電流値Ｉ_{ＦＣｏｕｔ}の関係は、式（１）で表される。予想生成水量Ｍ_０は、燃料電池の電流値Ｉ_{ＦＣｏｕｔ}を式（１）に代入することにより算出できる。

ここで、Ｆはファラデー定数である。

必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}は、電気化学反応に必要な酸素を供給するために必要な空気量である。必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}は、電気化学反応に使われる酸素を含有する空気流量にストイキレシオ（以下、「ＳＲ」と称する。）を乗じた値として求める。通常、理論上電気化学反応に必要な酸素を含む空気流量に対して、過剰の空気を燃料電池に供給する。ＳＲとは、理論上電気化学反応に必要な酸素を含む空気流量と実際に供給する空気流量の比である。必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}は、式（２）で表される。必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}は、燃料電池の電流値Ｉ_{ＦＣｏｕｔ}を式（２）に代入することにより算出できる。

ここで、０．２１は空気中における酸素のモル濃度である。

〔ステップＳ３６０〕
予想される燃料電池のカソード極内部の平均圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は燃料電池の構造が決まれば、カソード極を流れる空気流量Ｑ_aｉｒにのみ依存する値であるので、空気流量Ｑ_aｉｒとカソード極の内部平均圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}の関係をあらかじめマップ化しておく。このマップ化されたデータから、カソード極を流れる空気流量Ｑ_aｉｒが必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}であるときのカソード極の内部平均圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。

〔ステップＳ３７０〕
燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣであるときのカソード内部における飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐを算出する。

図５は、表面自由水の飽和蒸気圧曲線１と、メソポア領域の細孔径（１〜１００μｍ）内部の飽和蒸気圧曲線２を比較して示したものである。一般に、メソポア領域は、毛管凝縮理論が適用される領域であり、表面自由水の飽和蒸気圧以下の圧力で水の凝縮が起こる。後述するように、カソード触媒層にはメソポア領域が存在する。したがって、飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐは、メソポア領域の細孔径内部の飽和蒸気圧曲線２を用いて算出する。そうすることにより、カソード極からドライアウトする水量の予測の精度を向上させることができる。

図６は、燃料電池セルの構造を示す断面図である。燃料電池の構造は、一般的には、ガス拡散層６２０ａ、カソード触媒層６１０ａ、電解質層６００、アノード触媒層６１０ｂ、ガス拡散層６２０ｂが積層してなるＭＥＡをセパレータ６５０ａ、６５０ｂで狭持した構造を有する。セパレータ６５０ａには空気流路６３０ａが設けられる。カソード触媒層６１０ａ、アノード触媒層６１０ｂは、白金担持カーボン上にアイオノマーと呼ばれる電解質を固定化した層であり、白金−アイオノマー−反応ガスの三相界面を形成させるためのメソポアが存在する。この領域においては、前述したように、飽和蒸気圧以下の圧力で水の凝縮が起こる。第１実施形態においては、カソードにおける温度と飽和蒸気圧の関係（図５の飽和蒸気圧曲線２）をあらかじめマップ化しておく。このマップ化したデータから、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣであるときのカソード内部における飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐを算出する。

〔ステップＳ３８０〕
凝縮水を発生させない空気流量Ｑ_{aｉｒｖａｐ}を算出する。ドルトンの法則から、カソード内部における空気流量Ｑ_aｉｒと水蒸気流量Ｑ_ｖａｐの関係は、それぞれの分圧を用いて式（３）により表すことができる。

ここで、空気圧Ｐ_aｉｒはカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}から飽和水蒸気圧Ｐ_ｖａｐを差し引いた値である。また、Ｐ_ｖａｐはステップＳ３７０で求めた細孔中における飽和蒸気圧である。

式（３）において、Ｑ_ｖａｐを生成水量Ｍ_０とすると、カソードの内部から水を全て除去する（ドライアウトする）ために必要な空気流量、すなわち、凝縮水を発生させない空気流量Ｑ_{aｉｒｖａｐ}を求めることができる。出力をＷ_{ＦＣｏｕｔ}として燃料電池を運転する場合に凝縮水を発生させない空気流量Ｑ_{aｉｒｖａｐ}は、式（３）を変形した式（４）により算出することができる。

第１実施形態においては、水蒸気の分圧が常に飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐ以下となるように空気流量を調節する。すなわち、カソードに供給する空気流量を、Ｑ_{aｉｒｖａｐ}以上とすることにより、凝縮水は全て水蒸気となり、水蒸気の分圧が飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐ以下に維持されることとなるため、細孔中における水の凝縮を防ぐことができる。したがって、イオン液体への凝縮水の混入を防ぐことができるため、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

ここで、凝縮水生成予想サブルーチンは終了となる。以下、図２に示すメインフローに戻り、ステップごとにフローを詳細に説明する。

〔ステップＳ２３０〕
凝縮水生成予想サブルーチンで求めた凝縮水を発生させない空気流量Ｑ_{aｉｒｖａｐ}と必要な空気流量Ｑ_{aｉｒｄｅｍ}とを比較する。すなわち、通常のＳＲで運転した場合に凝縮水が発生するかどうかを判断する。

〔ステップＳ２４０〕
凝縮水を発生させない空気流量Ｑ_{aｉｒｖａｐ}の方が必要な空気流量Ｑ_{aｉｒｄｅｍ}よりも大きい場合は、通常のＳＲで運転したときにカソード極内部に凝縮水が生成すると予想し、後述する凝縮水調整サブルーチンに移る。

〔ステップＳ２５０〕
必要な空気流量Ｑ_{aｉｒｄｅｍ}の方が凝縮水を発生させない空気流量Ｑ_{aｉｒｖａｐ}よりも大きい場合は、通常のＳＲで運転しても凝縮水を発生させないと予想し、空気流量Ｑ_aｉｒをＱ_{aｉｒｄｅｍ}、燃料電池出力をＷ_{ＦＣｏｕｔ}として運転する。

ここで、図７を用いて凝縮水量調整サブルーチンについて説明する。図７は凝縮水サブルーチンのフローチャートを示した図である。凝縮水量調整サブルーチンは、通常のＳＲで運転すると凝縮水が発生する場合において、空気流量および燃料電池出力の制御を行い、凝縮水を発生させない範囲で、燃料電池システムのエネルギー効率が最も高くなる運転条件を見出すために実行される。以下、ステップごとに凝縮水量調整サブルーチンについて詳細に説明する。

〔ステップＳ７００〕
燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣであるときの、コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐとコンプレッサから吐出される空気流量Ｑ_aｉｒとの関係を読み込む。コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐとコンプレッサから吐出される空気流量Ｑ_aｉｒとの関係はあらかじめマップ化しておく。図８は、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣであるときの、コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐとコンプレッサから吐出される空気流量Ｑ_aｉｒとの関係を示したものである。

〔ステップＳ７１０〕
燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣであるときの、燃料電池の出力Ｗ_ＦＣと燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣとの関係を読み込む。燃料電池の出力Ｗ_ＦＣと燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣとの関係、すなわちＩ−Ｗカーブは、あらかじめマップ化しておく。

〔ステップＳ７２０〕
空気流量Ｑ_aｉｒとカソード極から除去可能な水量Ｍの関係を、式（４）により算出する。すなわち、式（４）において、生成水量Ｍ_０を除去可能な水量Ｍと置くことにより、凝縮水が発生しない状態における、空気流量Ｑ_aｉｒとカソード極から除去可能な水量Ｍの関係が算出できる。ここで、生成水量Ｍ_０を除去可能な水量Ｍと置くことは、生成水量が全てドライアウトされることを意味する。温度がＴ_ＦＣのときの飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐは、あらかじめマップ化した、温度と飽和蒸気圧の関係（図５参照）から求めることができる。また、カソード極内部の平均圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、上述したように、燃料電池の構造が決まれば、空気流量Ｑ_aｉｒの関数である。したがって、除去可能な水量Ｍの値はＱ_aｉｒのみの関数となる。図９は、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣのときの空気流量Ｑ_aｉｒと、除去可能な水量Ｍを燃料電池が生成するときの燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣの関係を示した図である。空気流量Ｑ_aｉｒと除去可能な水量Ｍを燃料電池が生成するときの燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣの関係は、あらかじめ、燃料電池セルの温度ごとにマップ化しておく。

ここで、上述したように、温度がＴ_ＦＣのときのカソード極内部の平均圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、空気流量Ｑ_aｉｒの関数として求めることができるが、燃料電池セルのカソード極の内部に設けた圧力計を用いて計測してもよい。こうすることにより、カソード極内部の圧力を直接計測できるため、凝縮水の調整を高精度に行うことができる。

また、平均極圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、カソード極に供給される空気の供給口とカソード極から空気を排出する排出口にそれぞれ圧力計を設け、それぞれの圧力計から計測された値の平均値として求めてもよい。こうすることにより、圧力計の数を減らすことができ、カソード極内部の圧力を正確に計測できるため凝縮水の調整を高精度に行うことができる。

〔ステップＳ７３０〕
２次電池が消費する電力Ｗ_Ｂａｔと空気流量Ｑ_aｉｒの関係を算出する。ここで、２次電池が消費する電力Ｗ_Ｂａｔは、２次電池が燃料電池の出力を補填する電力ΔＷ_Ｂａｔと２次電池が電源となるコンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐの和である。ここで、本ステップＳ７３０と次ステップＳ７４０は、コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐとコンプレッサから吐出される空気流量Ｑ_aｉｒとの関係、燃料電池の出力Ｗ_ＦＣと燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣとの関係、空気流量Ｑ_aｉｒと除去可能な水量Ｍの関係から、凝縮水を発生させない範囲で燃料電池システムのエネルギーの効率が最も高くなる運転条件を算出するために行う。

まず、ステップＳ７２０で求めた、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣのときの、空気流量Ｑ_aｉｒと除去可能な水量Ｍの関係と、式（１）（すなわち、燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣと除去可能な水量Ｍの関係）と、から凝縮水を発生させない状態の空気流量Ｑ_aｉｒと燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣとの関係を算出する。

次に、Ｉ−Ｗカーブから、燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣと燃料電池の出力Ｗ_ＦＣとの関係を求める。そして、燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣと、システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと燃料電池の出力Ｗ_ＦＣとの差ΔＷ_Ｂａｔと、の関係を求める。ΔＷ_Ｂａｔは要求出力Ｗ_ｄｅｍを供給するために２次電池が燃料電池の出力を補填する電力を意味する。図１０は、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣのときの燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣと、２次電池から補填する電力ΔＷ_Ｂａｔとの関係を示した図である。

上述した、空気流量Ｑ_aｉｒと燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣとの関係と、燃料電池の電流値Ｉ_ＦＣと２次電池から補填する電力ΔＷ_Ｂａｔとの関係から、凝縮水を発生させない状態で運転するときの空気流量Ｑ_aｉｒと２次電池から補填する電力ΔＷ_Ｂａｔとの関係を求めることができる。

ここで、２次電池が消費する電力Ｗ_Ｂａｔは、ΔＷ_Ｂａｔ＋Ｗ_Ｃｏｍｐである。従って、前述した、空気流量Ｑ_aｉｒと２次電池から補填する電力ΔＷ_Ｂａｔとの関係から、空気流量Ｑ_aｉｒと２次電池消費電力Ｗ_Ｂａｔとの関係を求めることができる。図１１は、空気流量Ｑ_Ａｉｒと２次電池消費電力Ｗ_Ｂａｔとの関係を示したものである。

〔ステップＳ７４０〕
空気流量Ｑ_aｉｒと２次電池消費電力Ｗ_Ｂａｔとの関係から、２次電池の消費する電力が最も小さい空気流量Ｑ_aｉｒを選択し、凝縮水を発生させない範囲で燃料電池システムのエネルギーの効率が最も高くなる運転条件における空気流量Ｑ_{aｉｒｏｐｔ}を算出する。

〔ステップＳ７５０〕
空気流量Ｑ_{aｉｒｏｐｔ}、燃料電池出力Ｗ_{ＦＣｏｐｔ}の運転条件で燃料電池を運転する。ここで、燃料電池出力Ｗ_{ＦＣｏｐｔ}は、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣで、燃料電池の生成水量が除去可能な生成水量Ｍであるときの燃料電池の出力である。燃料電池出力Ｗ_{ＦＣｏｐｔ}は、ステップ番号７２０においてマップ化した、空気流量Ｑ_aｉｒと、除去可能な水量Ｍを燃料電池が生成するときの燃料電池の電流量Ｉ_ＦＣと、の関係を用いて算出することができる。

ここで、凝縮水量調整サブルーチンは終了となる。以下、図２に示すメインフローに戻り、フローについて詳細に説明する。

〔ステップＳ２６０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達しているかどうかを判断する。燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達している場合は、燃料電池システムの起動運転は終了したとしてメインフローの動作は終了する。一方、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達していない場合は、再度ステップＳ２１０に戻り、メインフローを実行する。

以上より、本第１実施形態は、請求項１、２、１０〜１９に係る燃料電池システムの発明を実施化したものである。すなわち、図１におけるコンプレッサ１３０は本発明の空気供給手段に相当し、熱電対１１１は本発明の温度検知手段に相当し、熱交換器１４０、１４１は本発明の温度調整手段に相当する。また、図２におけるステップＳ２２０は本発明の凝縮水を予想する手段に相当し、ステップ２４０は本発明の凝縮水をドライアウトさせる手段に相当する。

以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示す。
・水の沸点（１００℃）以下における燃料電池の運転時（特に起動時）に、凝縮水をドライアウトすることによって、イオン液体の濃度が凝縮水によって薄められることを防ぐことができる。従って、燃料電池セルの温度を使用温度である１００℃以上に上げたときに高分子網目内の水が蒸発し、水素クロスリークや電解質膜のイオン伝導度を低下させることがなく、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
・コンプレッサの空気流量の調整により、凝縮水をドライアウトさせるため、燃料電池システムの構成が簡便となる。
・凝縮水の発生を検知するための新たなシステム要素を追加する必要がないため、システム構成が簡便となる。
・多孔体内部の飽和蒸気圧を考慮して予測を行うため、凝縮水検知の精度、凝縮水調整の精度を向上させることができ、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
・あらかじめ空気流量とカソード内部の圧力の関係を算出、もしくは計測してマップ化しておき、これを用いてカソード極内部の圧力を算出するため、新たにカソード極内部の圧力を検知するシステム要素を加える必要がなく、システム構成が簡便となる。
・凝縮水を発生させない範囲で、燃料電池システムのエネルギー変換効率を上げることができる。
・凝縮水をドライアウトさせる手段が燃料電池の出力を低下させることである場合は、空気流量増加や、カソード極内圧力を上昇させることによるコンプレッサの消費電力増大を避けることができる。
・カソード極の内部に圧力計を設けて直接カソード極内部の圧力を計測する場合は、カソード極内部の圧力を直接計測でき、凝縮水の調整を高精度に行うことができるため、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
・カソード極に供給する空気の供給口とカソード極から空気を排出する排出口にそれぞれ圧力計を設け、それぞれの圧力計から計測された値の平均値としてカソード極内部の圧力を計測する場合は、圧力計の数を減らすことができるとともに、カソード極内部の圧力を正確に計測でき、凝縮水の調整を高精度に行うことができるため、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを構成要素である燃料電池を示す図面である。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、各燃料電池セル１２１０に電解質膜のイオン伝導度が計測可能な交流抵抗計１２００を設置していることと、凝縮水の生成を予想するのではなく検知することである。交流抵抗計１２００はアノード極１２３０とカソード極１２２０の間に並列に接続される。

本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作についてフローチャートを用いて詳細に説明する。図１３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートを示した図である。以下、ステップごとに第２実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートについて詳細に説明する。ここで、ステップＳ１３００、Ｓ１３１０、Ｓ１３５０は第１実施形態と同様であるため説明は省略する。

〔ステップＳ１３２０〕
凝縮水生成検知サブルーチンＳ１３２０により、凝縮水の生成を検出する。図１４は、凝縮水生成検知サブルーチンを示した図である。以下、凝縮水生成検知サブルーチンについて、ステップ番号ごとに詳細に説明する。

〔ステップＳ１４００〕
システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと、燃料電池セル内部に設置された熱電対から燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣを検知する。要求出力Ｗ_ｄｅｍは、例えば、自動車に搭載された燃料電池であれば、アクセル開度から算出される値である。

〔ステップＳ１４１０〕
燃料電池の出力Ｗ_ＦＣをＷ_{ＦＣｄｅｍ}、空気流量Ｑ_aｉｒをＱ_{ａｉｒｄｅｍ}として燃料電池の運転を開始する。Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}は、Ｗ_{ＦＣｄｅｍ}を出力するために必要な空気流量である。すなわち、Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}は、Ｗ_{ＦＣｄｅｍ}を出力するための電気化学反応に必要な酸素を供給するために必要な空気量である。

〔ステップＳ１４２０〕
イオン伝導度Ｒ_Ωを測定する。イオン 伝導度[S/m]は、アノード極とカソード極の間の抵抗値を測定することにより求めることができる。燃料電池に水が全く入っていない状態における、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣとイオン伝導度Ｒ_Ωの関係は、あらかじめマップ化しておく。図１５は燃料電池に水が全く入っていない状態（図５の実線）と、実際の燃料電池の運転時のイオン伝導度の変化の例（図５の太い点線）を示したものである。一般に、イオン液体のイオン伝導度は水溶液系よりも小さいため、イオン液体に凝縮水が混入するとイオン伝導度が大きくなる。本発明の第２実施形態は、この現象を利用して凝縮水の発生を検知する。

ここで、凝縮水生成検知サブルーチンは終了となる。以下、図１３に示すメインフローに戻り、ステップごとに詳細に説明する。

〔ステップＳ１３３０〕
凝縮水が発生しているかどうかを判断する。あらかじめマップ化しておいた、燃料電池に水が全く存在しない状態における燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣとイオン伝導度Ｒ_Ωの関係を用いて、水が全く存在しない状態と、凝縮水生成検知サブルーチンで測定した実際のイオン伝導度Ｒ_Ωの値を比較することによって、凝縮水が発生しているかどうかを判断する。具体的には、水が全く入っていない状態におけるイオン伝導度Ｒ_Ωよりも高いイオン伝導度の閾値を設け、その閾値を超えた場合には凝縮水が生成していると判断する。ここで、イオン伝導度の閾値と水が全く入っていない状態におけるイオン伝導度の差を、イオン伝導度差の閾値ΔＲ_Ω０と定義する。また、実測したイオン伝導度と水が全く入っていない状態におけるイオン伝導度の差を、イオン伝導度差ΔＲ_Ωと定義する。

凝縮水が生成していないと判断した場合は、ステップ番号Ｓ１３５０に移行し、燃料電池出力をＷ_{ＦＣｄｅｍ}として運転する。

凝縮水が生成していると判断した場合は、凝縮水量調整サブルーチンに移行する。図１６は、第２実施形態に係る燃料電池システムにおける凝縮水量調整サブルーチンのフローチャートを示した図である。以下、ステップごとに凝縮水量調整サブルーチンのフローチャートを詳細に説明する。

〔ステップＳ１６００〕
コンプレッサの空気流量Ｑ_aｉｒを適当な流量ΔＱ_aｉｒだけ増加する。この操作により、燃料電池のカソード極においてドライアウトされる凝縮水の量が増加する。

〔ステップＳ１６１０〕
イオン伝導度差ΔＲ_Ωと、閾値ΔＲ_Ω０を比較する。イオン伝導度差ΔＲ_Ωが閾値ΔＲ_Ω０以下となったときは、凝縮水量は所定値以下であると判断し、凝縮水量調整サブルーチンを終了する。

イオン伝導度差ΔＲ_Ωが閾値ΔＲ_Ω０以下とならない場合は、ステップ１６２０に移行する。

〔ステップＳ１６２０〕
コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐと燃料電池システムに対し要求される出力Ｗ_ｄｅｍを比較する。コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐが燃料電池システムに対し要求される出力Ｗ_ｄｅｍよりも小さい場合は、さらに空気流量Ｑ_aｉｒを適当な流量ΔＱ_aｉｒ増加する。

コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐが燃料電池システムに対し要求される出力Ｗ_ｄｅｍ以上の場合は、ステップＳ１６３０に移行する。

〔ステップＳ１６３０〕
燃料電池の出力Ｗ_ＦＣを適当な値ΔＷ_ＦＣ低下させる。すなわち、コンプレッサの消費電力Ｗ_Cｏｍｐが燃料電池システムに対し要求される出力Ｗ_ｄｅｍより大きい場合は、燃料電池の出力Ｗ_ＦＣを低下させた方が、エネルギー効率が有利であると判断し、燃料電池の出力Ｗ_ＦＣを適当な値ΔＷ_ＦＣ低下させる。この操作により、凝縮水の生成量が小さくなるため、イオン伝導度は低下する。

〔ステップＳ１６４０〕
イオン伝導度差ΔＲ_Ωと閾値ΔＲ_Ω０を比較する。イオン伝導度差ΔＲ_Ωが閾値ΔＲ_Ω０以下となったときは、凝縮水量調整サブルーチンを終了する。

イオン伝導度差ΔＲ_Ωが閾値ΔＲ_Ω０以下とならない場合は、ステップ番号１６３０の段階に移行し、さらに燃料電池の出力Ｗ_ＦＣを適当な値ΔＷ_ＦＣ低下させる。すなわち、イオン伝導度差ΔＲ_Ωが閾値ΔＲ_Ω０以下となるまで、燃料電池の出力Ｗ_ＦＣを適当な値ΔＷ_ＦＣずつ低下させる。

ここで、凝縮水量調整サブルーチンは終了となる。以下、図１３に示すメインフローに戻り、フローについて詳細に説明する。

〔ステップＳ１３６０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達しているかどうかを判断する。燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達している場合は、燃料電池システムの起動運転は終了したとしてメインフローによる動作は終了する。一方、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達していない場合は、再度メインフローを実行する。

以上より、本第２実施形態は、請求項１、２、８、９、１８に係る燃料電池システムの発明を実施化したものである。すなわち、図１におけるコンプレッサ１３０は本発明の空気供給手段に相当し、熱交換器１４０、１４１は本発明の温度調整手段に相当する。また、図１２における交流抵抗計１２００は、図１３のステップＳ１３２０とともに凝縮水の発生を検知する手段に相当する。図１３におけるステップＳ１３４０は本発明の本発明の凝縮水をドライアウトさせる手段に相当する。

本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムは、以下の第１実施形態と同様の効果を有する。
・燃料電池セルの温度が１００℃以下における運転時においても、燃料電池内において生成される凝縮水をドライアウトすることができるため、凝縮水によってイオン液体が希釈されることを防ぐことができ、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
・コンプレッサの空気流量の調整により、カソード極における空気流量を増加させることによって凝縮水をドライアウトさせるため、燃料電池システムの構成が簡便となる。
・凝縮水をドライアウトさせる手段が燃料電池の出力を低下させることである場合は、空気流量増加や、カソード極内圧力を上昇させることによるコンプレッサの消費電力増大を避けることができる。

さらに、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムは、以下の効果を有する。
・燃料電池内部に発生した凝縮水を直接的に計測するため、凝縮水のドライアウトを効率よく行うことができる。

〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１７は第３実施形態に係る燃料電池の構成図を簡略的に示した図である。第１実施形態と異なる点は、燃料電池のカソード極の空気流路の下部にカソード極の内部圧力を調整するためのバルブを設け、凝縮水をドライアウトする手段としてカソード極の圧力を低下させる手段を用いていることである。図１７に示すように、アノード極とカソード極の圧力のバランスを保つためには、燃料電池のアノード極の水素流路の下流にもアノード極の内部圧力を調整するためのバルブを設けることが望ましい。

本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの動作についてフローチャートを用いて詳細に説明する。図１８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートを示した図である。以下、ステップ番号ごとに第３実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートについて説明する。ここで、ステップＳ１８００、Ｓ１８１０は第１実施形態のステップＳ２００、Ｓ２１０と同様であるため説明は省略する。

〔ステップＳ１８２０〕
凝縮水生成予想サブルーチンＳ１８２０により、凝縮水の生成を予想する。図１９は、凝縮水生成予想サブルーチンを示した図である。以下、凝縮水生成検知サブルーチンについて、ステップ番号ごとに詳細に説明する。

〔ステップＳ１９００〕
システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣを検知する。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３００と同様であるため、説明は省略する。

〔ステップＳ１９１０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおける燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を算出する。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３１０と同様であるため、説明は省略する。

〔ステップＳ１９２０〕
燃料電池システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}の値を比較する。

〔ステップＳ１９３０〕
要求出力Ｗ_ｄｅｍの方が最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}よりも大きい場合は、最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を燃料電池の出力Ｗ_ＦＣとする。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３３０と同様であるため、説明は省略する。

〔ステップＳ１９４０〕
最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}の方が要求出力Ｗ_ｄｅｍよりも大きい場合は、要求出力Ｗ_ｄｅｍを燃料電池の出力Ｗ_{ＦＣｏｕｔ}とする。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３４０と同様であるため、説明は省略する。

ここで、ステップ番号Ｓ１９３０またはＳ１９４０で求めた燃料電池の出力Ｗ_ＦＣをＷ_{ＦＣｏｕｔ}と定義する。

〔ステップＳ１９５０〕
燃料電池出力がＷ_{ＦＣｏｕｔ}であるときの燃料電池カソード極における予想生成水量Ｍ_０、および必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}を算出する。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３５０と同様であるため、説明は省略する。

〔ステップＳ１９６０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおける飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐを算出する。第３実施形態においては、カソードにおける温度と飽和蒸気圧の関係（図５の飽和蒸気圧曲線２参照）をあらかじめマップ化しておく。このマップ化したデータから、燃料電池セルの温度がＴ_ＦＣであるときのカソード内部における飽和蒸気圧Ｐ_ｖａｐを算出する。

〔ステップＳ１９７０〕
凝縮水を発生させないカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。式（３）において、空気圧Ｐ_aｉｒはカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}から飽和水蒸気圧Ｐ_ｖａｐを差し引いた値であるので、Ｐ_aｉｒは、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}−Ｐ_ｖａｐと置ける。また、凝縮水を発生させないという条件を満たすために、水蒸気流量Ｑ_ｖａｐを予想生成水量Ｍ_０と置き、カソード内部における空気流量Ｑ_aｉｒを必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}と置く。そうすると、式（５）が得られる。ここで、空気流量Ｑ_aｉｒを必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}と置いたが、空気流量Ｑ_aｉｒは必ずしも必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}である必要はない。空気流量Ｑ_aｉｒを必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}としない場合は、その空気流量の値に応じたカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}とすることよって凝縮水を発生させないという条件を満たすことができうるからである。

式（５）を変型すると、空気流量Ｑ_aｉｒが必要な空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}であり、かつ、凝縮水を発生させないために必要なカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は、式（６）によって算出できる。

〔ステップＳ１９８０〕
圧力バルブを全開にしたときの、空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}におけるカソード極圧力Ｐ_ｍｉｎを算出する。ここで、前述したように、カソード極内部の圧力は燃料電池の構造が決まれば、カソード極を流れる空気流量にのみ依存する値である。したがって、圧力バルブを全開にしたときの燃料電池の構造によって決まる空気流量とカソード極の内部平均圧力の関係をあらかじめマップ化しておく。そして、このマップ化されたデータから、空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}におけるカソード極圧力Ｐ_ｍｉｎを算出してもよい。また、カソード極圧力Ｐ_ｍｉｎは、図１７に示すように、燃料電池セル１７１０のカソード極の内部に設けた圧力計１７６０〜１７６３を用いて計測してもよい。こうすることにより、カソード極内部の圧力を直接計測できるため、凝縮水の調整を高精度に行うことができる。

また、同図に示すように、カソード極圧力Ｐ_ｍｉｎは、カソード極に供給される空気の供給口とカソード極から空気を排出する排出口にそれぞれ圧力計１７４０、１７５０を設け、それぞれの圧力計から計測された値の平均値として求めてもよい。こうすることにより、圧力計の数を減らすことができ、カソード極内部の圧力を正確に計測できるため凝縮水の調整を高精度に行うことができる。

ここで、凝縮水生成予想サブルーチンは終了となる。以下、図１８に示すメインフローに戻り、ステップごとにフローを詳細に説明する。

〔ステップＳ１８３０〕
凝縮水を発生させないカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}と圧力バルブを全開にしたときの、空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}におけるカソード極圧力Ｐ_ｍｉｎとを比較する。

〔ステップＳ１８４０〕
凝縮水を発生させないカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}の方が、圧力バルブを全開にしたときの、空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}におけるカソード極内部の圧力Ｐ_ｍｉｎよりも大きいときは、圧力調整バルブを全開にし、燃料電池出力をＷ_{ＦＣｏｕｔ}、空気流量をＱ_{ａｉｒｄｅｍ}として燃料電池を運転する。すなわち、圧力バルブを全開にすることによるカソード極内部の圧力の低下による効果により、生成した凝縮水をドライアウトすることができる。

〔ステップＳ１８５０〕
凝縮水を発生させないカソード極内部の圧力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が、圧力バルブを全開にしたときの、空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}におけるカソード極内部の圧力Ｐ_ｍｉｎ以下のときは、カソード極内部の圧力がＰ_ｍｉｎであるときの、凝縮水が発生しない燃料電池出力Ｗ_{ＦＣｏｐｔ}と空気流量Ｑ_{ａｉｒｏｐｔ}を算出する。凝縮水が発生しない燃料電池出力Ｗ_{ＦＣｏｐｔ}と空気流量Ｑ_{ａｉｒｏｐｔ}は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートの凝縮水生成予想サブルーチンを利用することにより算出できる。

〔ステップＳ１８６０〕
燃料電池出力をＷ_{ＦＣｏｐｔ}、空気流量をＱ_{ａｉｒｏｐｔ}として燃料電池を運転する。

〔ステップＳ１８７０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達しているかどうかを判断する。燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達している場合は、燃料電池システムの起動運転は終了したとしてメインフローの動作は終了する。一方、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達していない場合は、再度ステップＳ１８１０に戻り、メインフローを実行する。

以上より、本第３実施形態は、請求項３、４、１０〜１９に係る燃料電池システムの発明を実施化したものである。すなわち、図１におけるコンプレッサ１３０は本発明の空気供給手段に相当し、熱電対１１１は本発明の温度検知手段に相当し、熱交換器１４０、１４１は本発明の温度調整手段に相当する。また、図１８におけるステップＳ１８２０は本発明の凝縮水を予想する手段に相当し、ステップＳ１８４０〜Ｓ１８６０は本発明の凝縮水をドライアウトさせる手段に相当する。

本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムは第１実施形態に係る燃料電池システムが有する効果を有する他、以下の効果を有する。
・正確にカソード極内部の圧力を制御するため、カソード極からドライアウトできる凝縮水量の予測の精度を向上することができ、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
・圧力調整バルブの開閉により簡易にカソード極内部の圧力を調整することができる。

〔第４実施形態〕
本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第１実施形態、第３実施形態と異なる点は、凝縮水をドライアウトする手段として、空気流量またはカソード極内部の圧力を調整する手段を用いず、燃料電池セルの温度を調整する手段と燃料電池の出力電力を調整する手段を用いている点である。

本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの動作についてフローチャートを用いて詳細に説明する。図２０は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートを示した図である。以下、ステップ番号ごとに第４実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートについて説明する。ここで、ステップＳ２０００は第１実施形態のステップＳ２００と同様であるため説明は省略する。

〔ステップＳ２０１０〕
燃料電池を昇温する。運転開始時の燃料電池セルの温度は、通常、定常時の運転温度を下回っている。燃料電池セルの温度は、図１に示すように、熱媒タンク１８０から燃料電池１１０に供給する熱媒の量を熱媒ポンプ１５０により調整することにより上昇させる。また、図１に示すように、燃料電池にヒーター１４２を設けることによって、燃料電池セルの温度を上昇させてもよい。空気の温度は、熱交換器に供給する熱媒の量を熱媒ポンプ１５０により調整することにより調整する。コントロールユニットは、熱媒ポンプを制御する。

〔ステップＳ２０２０〕
燃料電池出力設定サブルーチンＳ２０２０により、燃料電池の出力を設定する。図２１は、燃料電池出力設定サブルーチンを示した図である。以下、燃料電池出力設定サブルーチンについて、ステップごとに詳細に説明する。

〔ステップＳ２１００〕
システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍと、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣを検知する。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３００と同様であるため、説明は省略する。

〔ステップＳ２１１０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおける燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}を算出する。本ステップは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャート（図３参照）のステップＳ３１０と同様であるため、説明は省略する。

〔ステップＳ２１２０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおける必要空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}において、凝縮水が発生しない燃料電池最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}´を算出する。ここで、凝縮水が発生しない燃料電池最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}´は、以下の方法により算出できる。

すなわち、式（４）において空気流量Ｑ_{ａｉｒｖａｐ}を必要空気流量Ｑ_{ａｉｒｄｅｍ}と置いて変形し、Ｍ_０を求めると、式（７）のようになる。

式（７）を式（１）に代入し、求まるＩ_{ＦＣｏｕｔ}をあらかじめマップ化されたＩ−Ｗカーブを用いることによって凝縮水が発生しない燃料電池最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}´を算出することができる。

〔ステップＳ２１３０〕
燃料電池の最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}、凝縮水が発生しない燃料電池最大出力Ｗ_{ＦＣｍａｘ}´、システムに対する要求出力Ｗ_ｄｅｍのうち最小の出力をＷ_{ＦＣｏｐｔ}として設定する。すなわち、Ｗ_{ＦＣｍａｘ}、Ｗ_{ＦＣｍａｘ}´、Ｗ_ｄｅｍのうち最小の出力が燃料電池の出力となるように燃料電池を制御する。このように燃料電池を制御することにより、凝縮水が発生しない条件において燃料電池を運転させることができる。

ここで、燃料電池出力設定サブルーチンは終了となる。以下、図２０に示すメインフローに戻り、ステップごとにフローを詳細に説明する。

〔ステップＳ２０３０〕
燃料電池出力をＷ_{ＦＣｏｐｔ}として燃料電池を運転させる。すなわち、ステップＳ２０２０において算出した、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣにおいて凝縮水が発生しない条件において燃料電池を運転させる。

〔ステップＳ２０４０〕
燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達しているかどうかを判断する。燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達している場合は、燃料電池システムの起動運転は終了したとしてメインフローの動作は終了する。一方、燃料電池セルの温度Ｔ_ＦＣが定常運転の温度Ｔ_０に達していない場合は、再度ステップＳ２０１０に戻り、メインフローを実行する。すなわち、燃料電池の出力電力の調整により凝縮水が発生しない条件を維持させながら、燃料電池セルの温度を定常運転の温度Ｔ_０まで昇温させることができる。

以上より、本第４実施形態は、請求項５〜７、１０〜１９に係る燃料電池システムの発明を実施化したものである。すなわち、図１におけるコンプレッサ１３０は本発明の空気供給手段に相当し、熱電対１１１は本発明の温度検知手段に相当し、熱交換器１４０、１４１は本発明の温度調整手段に相当する。また、図２０におけるステップＳ２０２０は、本発明の凝縮水を予想する手段および凝縮水をドライアウトさせる手段に相当する。

本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムは第１実施形態に係る燃料電池システムが有する効果を有する他、以下の効果を有する。
・燃料電池セルの温度を正確に制御できるため、カソード極からドライアウトできる凝縮水量の予測の精度を向上することができ、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

以上、本願発明に係る燃料電池システムを実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されるものではない。

例えば、第１実施形態においては、凝縮水の生成を予想する段階においてカソード極内に存在する水の量を化学反応による凝縮水の量のみに着目して説明している。しかし、外部の露点を計測する手段を有することにより、コンプレッサによって取り込まれる外気にもともと含まれている水の量を求め、これにより、凝縮水の量を補正してもよい。すなわち、図１７に示すように露点計を設置して、これにより空気の水蒸気圧を計測し、外気にもともと含まれている水の量を求めてもよい。このような補正は、カソード極に流入させる外部の空気に含まれる水分量を補正するものであるため、外部環境にかかわらずカソード極からドライアウトされる水量を正確に予測できる。したがって、燃料電池の劣化を防止し、燃料電池の耐久性をさらに向上させることができる。

また、第１実施形態においては、燃料電池のカソード極内部の圧力を求める段階において、あらかじめ、空気流量とカソード極の内部の圧力の関係を実測し、マップ化しておき、空気流量からカソード極内部の圧力を求めるとしている。しかし、実際に、カソード内部の圧力を計測してもよい。また、カソード極の上流部と下流部にそれぞれ圧力計を設けて、それぞれの圧力差を計測してもよい。

また、各実施形態における燃料電池セルの温度を上昇させる手段は、燃料電池にヒーターを設けて、燃料電池セルの温度を上昇させる手段を含んでもよい。また、燃料電池が、アノード極から排出される余剰水素を燃料電池の入口に循環させて再利用する構成となっている場合は、アノード極の下流部に気液分離相を設け、余剰水素の露点を下げた後に、再度アノード極にこの水素を供給することにより、凝縮水量を下げる手段を用いてもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、主として自動車に搭載される燃料電池に利用することができる。

本発明に係る燃料電池システムを含むシステム構成を示した図面である。 本発明の第１実施形態の動作を示すフローチャートである。 あらかじめ測定しておいた、ある燃料電池温度における燃料電池の電流値と燃料電池の出力との関係を示した図である。 本発明の第１実施形態の動作の一部である凝縮水生成予想サブルーチンを示すフローチャートである。 自由水とメソポア領域の飽和蒸気圧曲線を示した図面である。 一般的な燃料電池セルを示す断面図である。 本発明の第１実施形態の動作の一部である凝縮水量調整サブルーチンを示すフローチャートである。 あらかじめ測定しておいたコンプレッサ吐出空気流量とコンプレッサ消費電力との関係を示した図面である。 コンプレッサ吐出空気流量とカソード極から除去可能な水量との関係を示した図面である。 燃料電池電流値と、要求出力と燃料電池との差の関係を示す図である。 コンプレッサ吐出空気流量と２次電池消費電力との関係を示す図面である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを構成要素である燃料電池を示す図面である。 本発明の第２実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の動作の一部である凝縮水検知サブルーチンを示すフローチャートである。 あらかじめ測定しておいた、水がない状態と凝縮水が発生した状態とにおけるイオン伝導度の温度依存性を示す図面である。 本発明の第２実施形態の動作の一部である凝縮水量調整サブルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池の構成図を簡略的に示したものである。 本発明の第３実施形態に係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。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの動作の一部である凝縮水生成予想サブルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係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。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの動作の一部である燃料電池出力設定サブルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、
１１０ 燃料電池、
１１１ 熱電対（温度検知手段）、
１１２ 圧力計、
１２０ ２次電池、
１３０ コンプレッサ（空気供給手段、補器類）、
１４０、１４１ 熱交換器（温度調整手段）、
１４２ ヒーター（燃料電池セルの温度を上昇させる手段）、
１５０ 熱媒ポンプ（空気と燃料電池セルの温度調整手段）、
１６０ プレッシャレギュレータ（補器類）、
１７０ 水素タンク、
１８０ 熱媒タンク（燃料電池セルの温度調整手段）、
１９０ インバータ（補器類）、
１９５ コントロールユニット（補器類）、
６００ 電解質層、
６１０ａ カソード触媒層、
６１０ｂ アノード触媒層、
６２０ａ、６２０ｂ ガス拡散層、
６３０ａ 空気流路、
６４０ ＭＥＡ、
６５０ａ、６５０ｂ セパレータ、
１２００ 交流抵抗計（凝縮水の発生を検知する手段）、
１２１０、１７１０ 燃料電池セル、
１２２０ カソード極、
１２３０ アノード極、
１７２０ バルブ（カソード極の圧力を低下させる手段）、
１７４０、１７５０、１７６０、１７６１、１７６２、１７６３ 圧力計、
１７７０ 露点計（空気の水蒸気圧を計測する手段）。

Claims (19)

1. イオン液体を電解質として用いる燃料電池と、
   前記燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池を構成する燃料電池セルの温度を検知する温度検知手段と、
   前記空気供給手段の吐出空気と前記燃料電池セルの温度を調整する温度調整手段と、
   前記燃料電池から出力される電力と燃料電池に対し要求される電力との差を充放電により補償するとともに補器類を駆動する、前記燃料電池と並列に接続される２次電池と、
   前記燃料電池の起動から前記燃料電池の温度が水の沸点に達するまでの間に前記燃料電池内において生成した凝縮水の発生を検知または予測する手段と、
   前記凝縮水の発生を検知または予測する手段により前記凝縮水の発生を検知または予測したときに前記凝縮水をドライアウトさせる手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記凝縮水をドライアウトさせる手段は、前記燃料電池のカソード極の空気流量を増加させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記凝縮水をドライアウトさせる手段は、カソード極の圧力を低下させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記カソード極の圧力を低下させる手段は、燃料電池のカソード極に空気を供給する流路の前記カソード極下流部に設けられたバルブによって圧力を調整する手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記凝縮水をドライアウトさせる手段は、燃料電池を構成する燃料電池セルの温度を上昇させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池セルの温度を上昇させる手段は、燃料電池セルの外部から燃料電池セルを加熱する手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池セルの外部から燃料電池セルを加熱する手段は、燃料電池の外部に設けられたヒーターによって燃料電池セルを加熱する手段を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記凝縮水の発生を検知または予測する手段は、前記燃料電池の電解質のイオン伝導度を検知する手段を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の電解質のイオン伝導度を検知する手段は、燃料電池を構成する燃料電池セルの全てのセル、もしくは一部のセルのアノード極とカソード極の間に交流抵抗計を設けることにより電解質のイオン伝導度を検知する手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記凝縮水の発生を検知または予測する手段は、カソード極に供給される空気流量から予測されるカソード極から除去される水の量と、カソード極において生成される水の量の差により前記凝縮水の発生を予測する手段を含むことを特徴とする請求項１〜９に記載の燃料電池システム。
11. 前記カソード極から除去される水の量は、前記燃料電池を構成する触媒層における飽和蒸気圧と前記燃料電池の内部の温度との関係と、カソード極の内部の圧力と、から求めることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記カソード極の内部の圧力は、前記燃料電池を構成する燃料電池セルの全部もしくは一部のカソード極の内部に設けられた１つもしくは２以上の圧力計を用いて計測された値もしくは前記値の平均値であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記カソード極の内部の圧力は、前記カソード極に供給される空気の供給口と、前記カソード極から排出される空気の排出口と、の圧力の平均値であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
14. 前記カソード極の内部の圧力は、前記カソード極に供給される空気の供給口と、前記カソード極から排出される空気の排出口と、に設けられた圧力計を用いて計測された値もしくは前記値の平均値であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
15. 前記カソード極の内部の圧力は、あらかじめ前記カソード極に供給される空気流量と燃料電池のカソード極の内部の圧力の関係をマップ化したデータから算出した値であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
16. さらに前記カソード極に供給される空気の水蒸気圧を計測する手段を有し、前記空気流量から予測されるカソード極から除去される水の量は、前記水蒸気圧により補正された値であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
17. 前記水蒸気圧を計測する手段は、システムの外部に設けた露点計を用いて前記水蒸気圧を計測する手段であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
18. 前記凝縮水をドライアウトする手段は、燃料電池の出力を低下させることにより前記凝縮水をドライアウトする手段を含むことを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の燃料電池システム。
19. さらに、前記カソード極における空気流量を増加させることによる前記コンプレッサの消費電力の増加量と、前記燃料電池の出力を低下させ、システムの要求電力と前記燃料電池の出力との差を補償することによる前記２次電池の消費電力の増加量と、の和が最少となるように前記空気流量と前記燃料電池の出力を制御する手段を有することを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の燃料電池システム。

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