JP4839697B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

特許文献１、２に従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックを備えている。各単セルは、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜を燃料極（アノード極、水素極ともいう。）と空気極（カソード極、酸素極ともいう。）とで挟持したものである。また、各単セルは、燃料極に水素ガス等の燃料を供給するための燃料室と、空気極に酸素を含む空気を供給するための空気室とを有している。

また、この種の燃料電池システムは、蓄電装置と負荷装置と制御装置とを備えている。蓄電装置は、燃料電池スタックと並列に接続され、燃料電池スタックから出力された電力を蓄えるものである。負荷装置は、燃料電池スタック及び蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動されるものである。制御装置は、燃料電池スタックとの接続を蓄電装置又は負荷装置に切り換えると共に燃料電池スタックの電流値を制御するものである。

このような構成である従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に、水素ガス等の燃料が各単セルの燃料室に供給され、それと同時に各単セルの空気室に酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セルでは、燃料極と空気極との間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極で得られた水素イオンがプロトン（Ｈ ₃ Ｏ ⁺ ）の形態で水分を含んだ電解質膜中を空気極側に移動し、空気極で空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極で得られた電子は負荷装置を通って空気極側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セルにおいて、電力が出力される。その結果、単セルが複数積層された燃料電池スタックは、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。

そして、この燃料電池システムでは、制御装置が燃料電池スタックから出力された電力を負荷装置に直接供給して負荷装置を駆動する他、制御装置が燃料電池スタックとの接続を蓄電装置に切り換え、燃料電池スタックから出力された電力を蓄電装置に供給して蓄電装置を充電する。また、燃料電池スタックから出力される電力が減少したり、停止したりする場合には、制御装置が負荷装置との接続を蓄電装置に切り換え、蓄電装置から供給される電力によって負荷装置を駆動する。

ところで、この燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に良好な発電状態を維持するため、各単セルの電解質膜を適度に湿潤させておく必要がある。なぜなら、電解質膜が乾燥してしまうと、燃料室から電解質膜を介して空気室へプロトンが移動することが阻害されることとなり、その結果、単セルの発電能力が低下するからである。そして、その状態が継続すれば、燃料電池スタックに回復困難な性能低下や故障が生じ得るからである。

このため、特許文献１の燃料電池システムでは、空気室に供給される空気に液体状の水を噴霧することにより、電解質膜を冷却したり、適度に湿潤させるようにしている。特に、燃料電池スタックの温度が上昇する場合には、温度上昇に対する冷却能力が不足し、電解質膜が乾いてしまうという事態（以下、「ドライアップ」という。）が生じ易いため、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度を測定し、所定の温度より燃料電池スタックの温度が高い場合にはドライアップが生じ得ると判定し、供給する空気量と水量とを独立して制御して冷却能力を高くする。これにより、この燃料電池システムでは、電解質膜のドライアップの発生を抑制可能としている。

また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料室に供給される燃料及び空気室に供給される空気の湿度を加湿器を用いて高くすることにより、電解質膜を適度に湿潤させるようにしている。特に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを積層方向に伸縮自在に固定した上で、燃料電池スタックの伸縮量と温度とを測定することによってドライアップが生じていると判定し、加湿器による加湿を強化して冷却能力を高くする。これにより、この燃料電池システムでも、ドライアップを抑制可能としている。

特開２００１−２１０３４８号公報 特開２００１−３３２２８０号公報

しかし、上記特許文献１、２の燃料電池システムは、ドライアップを燃料電池スタック全体の温度や伸縮量に基付いてしか判定していない。このため、燃料電池スタックを構成する複数の単セルの内、一つ又は少数の単セルについてドライアップが進行しても、その事態を正確に判定することができない。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが不十分であった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池スタックに時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
各該単セル電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
現在の各該単セル電圧と前回の各該単セル電圧とを比較する単セル電圧比較手段と、
いずれかの該単セルについて、現在の該単セル電圧が前回の該単セル電圧より低い場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップ信号を発するドライアップ告知手段と、
該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする。

発明者らの試験結果によれば、以下の場合にいずれかの単セルでドライアップが生じたことを判断できる。まず、各単セル電圧と電流値とを一定時間毎に検知し、前回及び現在の個々の単セル電圧を比較する。そして、いずれかの単セルにおいて、前回の単セル電圧よりも現在の単セル電圧の方が低い場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップのおそれがある。その状態が連続しておれば、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップ状態であると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。

警告手段は、少なくとも、制御装置の中で警告信号を発するものであればよい。そうであれば、制御装置が直ちにドライアップ対策等の適切な処置を実施することができる。また、警告手段は、燃料電池システムの使用者その他の外部に対して、直ちにドライアップ状態が生じていることを知らせたり、制御装置がドライアップ対策を実施してもドライアップが解消されない場合に異常を知らせたりするものであってもよい。

請求項２に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
各該単セル電圧の平均である平均電圧を算出する平均電圧算出手段と、
該平均電圧及び電流値から導いた平均ＩＶ特性と予め設定した基準ＩＶ特性とを比較するＩＶ特性比較手段と、
該平均ＩＶ特性が該基準ＩＶ特性より低い場合、ドライアップ信号を発するドライアップ告知手段と、
該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする。

発明者らの試験結果によれば、以下の場合にもいずれかの単セルでドライアップが生じたことを判断できる。まず、各単セル電圧と電流値とを一定時間毎に検知し、各単セル電圧の平均である平均電圧と電流値とから導いた平均ＩＶ特性と、予め設定した基準ＩＶ特性とを比較する。そして、平均ＩＶ特性が基準ＩＶ特性より低い場合には、ドライアップのおそれがある。その状態が連続しておれば、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップ状態であると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。

請求項３に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
各該単セル電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
全ての該単セルの中で、最も電圧が高い該単セルと最も電圧が低い該単セルとを抽出する抽出手段と、
これら二つの該単セルに係る該単セル電圧に対し、現在の差である現在電圧差と、前回の差である前回電圧差とを比較する単セル電圧比較手段と、
該現在電圧差が該前回電圧差より大きい場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップ信号を発するドライアップ告知手段と、
該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする。

発明者らの試験結果によれば、以下の場合にもいずれかの単セルでドライアップが生じたことを判断できる。まず、各単セル電圧と電流値とを一定時間毎に検知し、全ての単セルの中で、最も電圧が高い単セルと最も電圧が低い単セルとを抽出し、これら二つの単セルに係る単セル電圧に対し、現在の差である現在電圧差と、前回の差である前回電圧差とを比較する。そして、現在電圧差が前回電圧差より大きい場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップのおそれがある。その状態が連続しておれば、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップ状態であると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。

したがって、請求項１〜３に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックに時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能である。

制御装置は、警告信号が発せられた時、燃料電池スタックが冷却されるように燃料電池スタックに供給する空気量を増加させる空気量変更手段を有することが好ましい。この場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップ後の回復動作として、空気量変更手段により燃料電池スタックを迅速に冷却し、そのドライアップの進行を抑制することができるとともに、燃料電池スタックの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。

空気量変更手段による空気量の増加の程度に関しては、燃料電池スタックに供給される空気中に噴霧される水の量や、加湿の程度に合わせて、適度に調整することが好ましい。例えば、噴霧された水を適度に含む空気の場合、空気量を増加させると、空気中に噴霧された水が空気室内で効率よく気化するため、燃料電池スタックを潜熱により効果的に冷却することができる。

ドライアップ告知手段がドライアップ信号を発しない場合、警告手段は警告信号を解除し、空気量変更手段は、燃料電池スタックに供給する空気量を減少させるものであることが好ましい。この場合、一度、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップ状態になっても、回復動作に移行した後の燃料電池システムを通常の発電状態に復帰させることができる。

制御装置は、警告信号が発せられた時、燃料電池スタックが冷却されるように燃料電池スタックの電流値を制限する電流値制限手段を有することが好ましい。この場合、燃料電池スタックの無理な出力を抑制し、冷却を進行させることができる。

電流値制限手段は、蓄電装置及び負荷装置によって燃料電池スタックの電流値を減少させるものであり得る。この場合、負荷装置は燃料電池スタックの出力の低下を蓄電装置から供給される電力によって補われるので、燃料電池スタックの冷却を進行させつつ、負荷装置の駆動力を低下させない。

本発明は燃料電池システムの運転方法でもあり得る。第１の燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧及び前記燃料電池スタックの電流値を検出し、各該単セル電圧及び電流値を記憶した後、
現在の各該単セル電圧と前回の各該単セル電圧とを比較し、
いずれかの該単セルについて、現在の該単セル電圧が前回の該単セル電圧より低い場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップ信号を発し、
該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発することを特徴とする。

第２の燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧及び前記燃料電池スタックの電流値を検出し、各該単セル電圧の平均である平均電圧を算出した後、
該平均電圧及び電流値から導いた平均ＩＶ特性と予め設定した基準ＩＶ特性とを比較し、
該平均ＩＶ特性が該基準ＩＶ特性より低い場合、ドライアップ信号を発し、
該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発することを特徴とする。

第３の燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧及び前記燃料電池スタックの電流値を検出し、各該単セル電圧及び電流値を記憶し、
全ての該単セルの中で、最も電圧が高い該単セルと最も電圧が低い該単セルとを抽出した後、
これら二つの該単セルに係る該単セル電圧に対し、現在の差である現在電圧差と、前回の差である前回電圧差とを比較し、
該現在電圧差が該前回電圧差より大きい場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップ信号を発し、
該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発することを特徴とする。

以下、本発明を具体化した実施例１〜３を図面を参照しつつ説明する。

図１に示す実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、蓄電装置２と、負荷装置３と、制御装置４とを備えている。

燃料電池スタック１は、図２に示すように、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セル１０が複数積層されたものである。単セル１０は、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜１１ａを燃料極１１ｂと、空気極１１ｃとで挟持したものである。燃料極１１ｂは、電解質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなり、空気極１１ｃは、電解質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる。また、各単セル１０は、隣接する他の単セル１０との間にセパレータ１２を有している。各セパレータ１２の燃料極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスである水素ガスが燃料極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって酸素を含む空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。

そして、この燃料電池スタック１は、図１に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム１００を構成する。

燃料電池スタック１の燃料室１２ａに設けられた供給口２１ａ及び排出口２１ｂには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室１２ａ内への水素ガスの供給及び燃料室１２ａからの排気水素ガスの排出を実施することが可能とされている。

供給口２１ａの最も上流側には水素タンク５０があり、水素タンク５０と供給口２１ａとの間には、配管５１が設けられている。配管５１は、水素タンク５０側から、水素元電磁弁６１ａと、水素供給圧レギュレータ６１ｂと、水素供給電磁弁６１ｃとを有している。

排出口２１ｂから接続点Ｂまでには配管５２が設けられ、接続点Ｂからダクト９１までには、配管５３が設けられている。また、接続点Ｂから配管５１の途中の接続点Ａまでには、配管５４が設けられている。

配管５３は、排気水素ガスを排気口２１ｂから排出するための水素排気電磁弁６３を有している。配管５４は、排気水素ガスを供給口２１ａから再供給するための水素循環電磁弁６４を有している。

また、燃料電池スタック１の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド４２が設けられている。この空気マニホールド４２には、フィルタ４１ａを有する空気吸入ファン４１が接続されており、空気室１２ｂ内に空気を供給可能とされている。また、空気マニホールド４２には、水噴射ノズル９９が配設されている。この水噴射ノズル９９は、配管９８によりレベルゲージ９７ａが内装された水タンク９７と接続されている。配管９８は、フィルタ９８ａ及び水直噴ポンプ８３を有している。

さらに、燃料電池スタック１の下方には、温度センサ９０ａを有する空気排出経路９０と、凝縮器９２と、凝縮器ファン９３と、排出された空気を空気排出経路９０から凝縮器９２まで導くダクト９１とが設けられて、空気室１２ｂ内から空気を排出可能とされている。凝縮器９２は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管９４と、フィルタ９４ａと、温度センサ９４ｂとを有しているとともに、分離された水を水タンク９７に輸送する配管９６と、水回収ポンプ８２とを有している。

燃料電池スタック１、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３、及び水素循環電磁弁６４は、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。また、空気吸入ファン４１、レベルゲージ９７ａ、水直噴ポンプ８３、温度センサ９０ａ、凝縮器ファン９３その他の構成部品も、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。

次に、蓄電装置２、負荷装置３及び制御装置４について説明する。

蓄電装置２は、図１に示すように、燃料電池スタック１と並列に接続され、燃料電池スタック１から出力された電力を蓄えるものである。蓄電装置２としては、キャパシタや二次電池等の一般的な蓄電手段を採用することができる。

負荷装置３は、燃料電池スタック１及び蓄電装置２とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動されるものである。負荷装置３は、インバータ（図示しない）及び電動モータ（図示しない）を有し、燃料電池システム１００が搭載される自動車を走行させることが可能とされている。

制御装置４は、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えると共に燃料電池スタック１の電流値を制御するものである。

具体的には、燃料電池スタック１の燃料極１１ａ側の端子１ａには、制御装置４の一部を構成するリレー４５ａ、４５ｄ、ダイオード４５ｂ及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）４５ｃが接続されている。

リレー４５ａ、４５ｄの連携動作によって、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えたり、燃料電池スタック１と蓄電装置２及び負荷装置３との接続を切り離したりすることが可能とされている。また、ダイオード４５ｂによって、蓄電装置２から燃料電池スタック１への電流を遮断するようになっている。さらに、ＩＰＭ４５ｃによって、燃料電池スタック１と蓄電装置２との電力供給の分担を状況に応じて調整し、燃料電池スタック１の電流値を制御することが可能とされている。

また、制御装置４は、図３のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３のプログラムに示すように、単セル電圧検出手段Ｓ１０２、Ｓ１０４、電流値検出手段Ｓ１０３、Ｓ１０５、記憶手段Ｓ１０２〜Ｓ１０５、単セル電圧比較手段Ｓ１０６、ドライアップ告知手段Ｓ１０７、Ｓ１０８、及び警告手段Ｓ１０９、Ｓ１１０を有する。

単セル電圧検出手段Ｓ１０２、Ｓ１０４は、各単セル１０に接続された電圧計（図示しない）により、一定時間毎に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）を検出するものである（ｐ：単セルの総数、ｍ：検知処理実施回数）。

電流値検出手段Ｓ１０３、Ｓ１０５は、燃料電池スタック１に接続された電流計（図示しない）により、一定時間毎に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）を検出するものである。

記憶手段Ｓ１０２〜Ｓ１０５は、測定された各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）及び電流値Ｉｓ（ｍ）を記憶するものである。

単セル電圧比較手段Ｓ１０６は、現在の各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）と前回の各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ−１）、Ｖｃ２（ｍ−１）、…、Ｖｃｐ（ｍ−１）とを各単セル１０毎に比較するものである。

ドライアップ告知手段Ｓ１０７、Ｓ１０８は、いずれかの単セル１０（例えば、総数ｐの単セルのうち、ｑ番目の単セル１０）について、現在の単セル電圧Ｖｃｑ（ｍ）が前回の単セル電圧Ｖｃｑ（ｍ−１）より低い場合、現在の電流値Ｉｓ（ｍ）が前回の電流値Ｉｓ（ｍ−１）以下であれば、ドライアップ信号を発するものである。

警告手段Ｓ１０９、Ｓ１１０は、ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発するものである。

さらに、制御装置４は、図４のドライアップ対策ルーチンのプログラムに示すように、空気量変更手段Ｓ１３１〜Ｓ１３４及び電流値制限手段Ｓ１３５を有する。

空気量変更手段Ｓ１３１〜Ｓ１３４は、警告信号が発せられた時、空気吸入ファン４１の回転数を増加させて、燃料電池スタック１が冷却されるように燃料電池スタック１に供給する空気量を増加させるものである。空気量変更手段Ｓ１３１〜Ｓ１３４による空気量の増加の程度に関しては、燃料電池スタック１に供給される空気中に水噴射ノズル９９から噴霧される水の量に合わせて、適度に調整される。霧状の水を適度に含む空気の場合、空気量を増加させると、空気中に噴霧された水が空気室１２ｂ内で効率よく気化するため、燃料電池スタック１を潜熱により効果的に冷却することができる。

また、空気量変更手段Ｓ１３１〜Ｓ１３４は、ドライアップ告知手段Ｓ１０７、Ｓ１０８がドライアップ信号を発しない場合、警告手段Ｓ１０９、Ｓ１１０が警告信号を解除し、燃料電池スタック１に供給する空気量を減少させるようになっている。こうすることにより、一度、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップ状態になっても、回復動作に移行した後の燃料電池システム１００を通常の発電状態に復帰させることが可能とされている。

電流値制限手段Ｓ１３５は、警告信号が発せられた時、上述のリレー４５ａ、４５ｄ、ＩＰＭ４５ｃ等を制御して、燃料電池スタック１が冷却されるように燃料電池スタック１の電流値を制限するものである。こうすることにより、燃料電池スタック１の無理な出力を抑制し、冷却を進行させることが可能となっている。また、この場合、負荷装置３は燃料電池スタック１の出力の低下を蓄電装置２から供給される電力によって補われるので、負荷装置３の駆動力を低下させないようにすることが可能となっている。

このような構成である実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の発電時に、図２に示すように、水素ガス等の燃料が各単セル１０の燃料室１２ａに供給され、それと同時に各単セル１０の空気室１２ｂに酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セル１０では、燃料極１１ｂと空気極１１ｃとの間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極１１ｂで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ ₃ Ｏ ⁺ ）の形態で水分を含んだ電解質膜１１ａ中を空気極１１ｃ側に移動し、空気極１１ｃで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極１１ｂで得られた電子は負荷装置３を通って空気極１１ｃ側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セル１０において、電力が出力される。その結果、単セル１０が複数積層された燃料電池スタック１は、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。

この間、図１に示すように、配管５１、５２、５３、５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４によって、水素タンク５１から水素ガスが供給口２１ａに供給されたり、排気水素ガスが排出口２１ｂから供給口２１ａに再供給されたりする。また、配管５２、５３と、水素排気電磁弁６３とによって、排気水素ガス及び電気化学反応により生成された生成水が燃料室１２ａの排出口２１ｂから間欠的にダクト９１を経て凝縮器９２に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせる。

また、水タンク９７の水が水直噴ポンプ８３により圧送されて、水噴射ノズル９９から空気マニホールド４２内に噴射される。これにより、空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａの乾燥が抑制され、適度な湿潤状態とされるとともに、燃料電池スタック１が冷却される。さらに、燃料電池スタック１の空気室１２ｂから排出された水を含む空気は、空気排出経路９０からダクト９１を経て凝縮器９２に移送される。そして、凝縮器９２により分離された空気は、配管９４から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ８２により水タンク９７に回収される。なお、ダクト９１を経て凝縮器９２に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク９７に回収される。

このように動作する燃料電池システム１００において、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図３に示すプログラムに従って、上述のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３を実施する。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１が時間の経過とともに電圧が低下するドライアップであると判定した場合に警告信号を発する。

つまり、このドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３が実行されると、Ｓ１０１〜Ｓ１０３において、初期設定がなされる。ステップＳ１０１では、検知処理実施回数ｍ及びドライアップ信号連続発生回数ｎが０とされる。Ｓ１０２では、各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（０）、Ｖｃ２（０）、…、Ｖｃｐ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。次に、Ｓ１０３では、燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。

そして、Ｓ１０４〜Ｓ１１３において、ドライアップの検知処理が繰り返される。Ｓ１０４では、前回計測から一定時間経過後に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。Ｓ１０５では、前回計測から一定時間経過後に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。

Ｓ１０６では、現在の各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）と前回の各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ−１）、Ｖｃ２（ｍ−１）、…、Ｖｃｐ（ｍ−１）とが各単セル１０毎に比較される。その結果、Ｓ１０６において、いずれかの単セル１０（例えば、総数ｐの単セルのうち、ｑ番目の単セル１０）について、現在の単セル電圧Ｖｃｑ（ｍ）が前回の単セル電圧Ｖｃｑ（ｍ−１）より低い場合、Ｓ１０７において、現在の電流値Ｉｓ（ｍ）が前回の電流値Ｉｓ（ｍ−１）以下であれば、Ｓ１０８において、ドライアップ信号が発せられる。この際、連続してドライアップ信号が発生されれば、Ｓ１０８において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが１つ加算される。他方、Ｓ１０６又はＳ１０７において、判定式が成立せず、ドライアップ信号の発生が途切れれば、Ｓ１１１において、ドライアップ信号連続発生回数ｎがリセットされて０となる。

そして、Ｓ１０９において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが基準回数以上である場合には、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、Ｓ１１０において、警告信号が発生され、それによって、燃料電池システム１００は、所定の回復動作であるドライアップ対策ルーチンＳ１３１〜Ｓ１３５に移行することとなる。

他方、Ｓ１０９において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが基準回数より小さい場合には、Ｓ１１２において、検知処理を継続するかどうかが判断され、検知処理を継続する場合には、Ｓ１１３において、検知処理実施回数ｍが１つ加算されて、Ｓ１０４から再び、検知処理を繰り返すこととなる。

制御装置４は、図４に示すように、ドライアップ対策ルーチンＳ１３１〜Ｓ１３５に移行した後、下記の通り、燃料電池システム１００の回復動作を実施する。

Ｓ１３１では、空気吸入ファン４１の回転数を増加させて、燃料電池スタック１に供給する空気量を増加させ、水噴射ノズル９９から空気中に噴霧された水を空気室１２ｂ内で効率よく気化させて潜熱を生じさせることにより、燃料電池スタック１を効果的に冷却する。

そして、Ｓ１３２では、図３のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３のプログラムにおけるドライアップ検知処理の結果を参照し、その結果、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが改善されている場合には、Ｓ１３３において燃料電池スタック１に供給する空気量を減少させ、元の空気量に戻す。他方、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが改善されていない場合には、Ｓ１３５に移行する。

Ｓ１３５では、リレー４５ａ、４５ｄ、ＩＰＭ４５ｃ等を制御して、燃料電池スタック１が冷却されるように燃料電池スタック１の電流値を制限する。これにより、燃料電池スタック１の無理な出力を抑制し、冷却を進行させる。また、この際、負荷装置３は燃料電池スタック１の出力の低下を蓄電装置２から供給される電力によって補われるので、負荷装置３の駆動力を低下させない。

さかのぼって、Ｓ１３３において、燃料電池スタック１に供給する空気量を減少させ、元の空気量に戻した後、Ｓ１３４において、再度、図３のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３のプログラムにおけるドライアップ検知処理の結果を参照し、その結果、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが起きていなければ、そのドライアップが完全に解消されたと判断して、ドライアップ対策を終了する。ここで、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが再度起きていれば、Ｓ１３１に戻り、ドライアップ対策を繰り返すこととなる。

このような手順により、実施例１の燃料電池システム１００は、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。

次に、上述した実施例１の燃料電池システム１００を自動車に搭載した状態で、確認試験を実施した。測定結果を図５に示す。

図５は、各単セル１０（単セルの総数ｐ＝５）の電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ５（ｍ）を検出し、時間の経過によって、どのように変化するかを示したグラフである。Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ５（ｍ）の時間の経過による変化を曲線Ｇ１、Ｇ２、…Ｇ５により示す。燃料電池スタック１から出力される電流は、時間の経過に合わせて、電圧が階段状になるように負荷装置３が指令を出している。このため、各単セル１０の電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ５（ｍ）も、基本的には階段状に減少する傾向を有している。

ここで、例えば、グラフ中の領域Ｔにおいて、各単セル１０のうち、曲線Ｇ５に示す単セル１０は、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが顕著に生じている状態である。他方、曲線Ｇ１に示す単セル１０は、そのドライアップが殆ど生じていない状態である。そして、曲線Ｇ５から解るように、そのドライアップが生じた単セル１０では、時間の経過とともに、電圧が低下する傾向を示す。このため、この測定結果に対して上述のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３を適用すれば、Ｓ１０６〜Ｓ１０７の判定式が連続して成立することとなり、そのドライアップと判定されることとなる。こうして、実施例１のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３は、確実に単セルレベルでのドライアップを検知することができるのである。

したがって、実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。

また、この燃料電池システム１００において、制御装置４は、空気量変更手段Ｓ１３１〜Ｓ１３４を有しているので、そのドライアップ後の回復動作として、空気量変更手段Ｓ１３１〜Ｓ１３４により燃料電池スタック１を迅速に冷却し、そのドライアップの進行を抑制することができているとともに、燃料電池スタック１の性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。また、Ｓ１３３で空気量を減少させることにより、そのドライアップが解消した後、燃料電池システム１００を通常の発電状態に復帰させることができている。

さらに、制御装置４は、電流値制限手段Ｓ１３５を有していることから、燃料電池スタック１の無理な出力を抑制し、冷却を進行させることができている。また、電流値制限手段Ｓ１３５は、蓄電装置２及び負荷装置３によって燃料電池スタック１の電流値を減少させるものであることから、負荷装置３は燃料電池スタック１の出力の低下を蓄電装置２から供給される電力によって補われるので、燃料電池スタック１の冷却を進行させつつ、負荷装置３の駆動力を低下させないことを実現できている。

実施例２の燃料電池システムは、実施例１の燃料電池システム１００のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３に対して、図６に示すドライアップ判定ルーチンＳ２０１〜Ｓ２１３が採用されたものである。他の構成は、実施例１の燃料電池システム１００と同様であるので、説明は省く。

実施例２の燃料電池システムにおいて、制御装置４は、図６のドライアップ判定ルーチンＳ２０１〜Ｓ２１３のプログラムに示すように、単セル電圧検出手段Ｓ２０２、電流値検出手段Ｓ２０３、平均電圧算出手段Ｓ２０４、ＩＶ特性比較手段Ｓ２０５、Ｓ２０６、ドライアップ告知手段Ｓ２０８、及び警告手段Ｓ２０９、Ｓ２１０を有する。

単セル電圧検出手段Ｓ２０２は、各単セル１０に接続された電圧計（図示しない）により、一定時間毎に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）を検出するものである（ｐ：単セルの総数、ｍ：検知処理実施回数）。

電流値検出手段Ｓ２０４は、燃料電池スタック１に接続された電流計（図示しない）により、一定時間毎に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）を検出するものである。

平均電圧算出手段Ｓ２０３は、各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）の平均である平均電圧ＶｃＡ（ｍ）を算出するものである。

ＩＶ特性比較手段Ｓ２０５、Ｓ２０６は、図７のグラフに示すように、平均電圧ＶｃＡ（ｍ）及び電流値Ｉｓ（ｍ）から導いた平均ＩＶ特性Ｚ（Ｚは、曲線Ｇｃ上の点）と予め設定した基準ＩＶ特性Ｇｓ（Ｇｓは曲線）とを比較するものである。なお、基準ＩＶ特性Ｇｓは、燃料電池スタック１の性能試験によって計測されたデータに基づいて、予め設定される。また、曲線Ｇｃは、燃料電池スタック１が時間の経過とともに電圧が低下するドライアップとなった場合のＩ−Ｖ特性の一例である。

ドライアップ告知手段Ｓ２０８は、平均ＩＶ特性Ｚが基準ＩＶ特性Ｇｓより低い場合、ドライアップ信号を発するものである。

警告手段Ｓ２０９、Ｓ２１０は、ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発するものである。

このような構成である実施例２の燃料電池システムも、自動車に搭載されて、実施例１の燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。

そして、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図６に示すプログラムに従って、上述のドライアップ判定ルーチンＳ２０１〜Ｓ２１３を実施する。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１が時間の経過とともに電圧が低下するドライアップであると判定した場合に警告信号を発する。

つまり、このドライアップ判定ルーチンＳ２０１〜Ｓ２１３が実行されると、Ｓ２０１において、初期設定として、検知処理実施回数ｍ及びドライアップ信号連続発生回数ｎが０とされる。

そして、Ｓ２０２〜Ｓ２１３において、ドライアップの検知処理が繰り返される。Ｓ２０２では、前回計測から一定時間経過後に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）が検出される。Ｓ２０３では、前回計測から一定時間経過後に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）が検出される。Ｓ２０４では、単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）の平均である平均電圧ＶｃＡ（ｍ）が算出される。そして、Ｓ２０５において、平均電圧ＶｃＡ（ｍ）と電流値Ｉｓ（ｍ）とから平均ＩＶ特性Ｚが導き出される。

Ｓ２０６では、平均ＩＶ特性Ｚと予め設定した基準ＩＶ特性Ｇｓ（Ｇｓは曲線）とが比較される。その結果、Ｓ２０６において、平均ＩＶ特性Ｚが予め設定した基準ＩＶ特性Ｇｓよりも低い場合、Ｓ２０８において、ドライアップ信号が発せられる。この際、連続してドライアップ信号が発生されれば、Ｓ２０８において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが１つ加算される。他方、Ｓ２０６において、判定式が成立せず、ドライアップ信号の発生が途切れれば、Ｓ２１１において、ドライアップ信号連続発生回数ｎがリセットされて０となる。

そして、Ｓ２０９において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが基準回数以上である場合には、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、Ｓ２１０において、警告信号が発生され、それによって、燃料電池システムは、所定の回復動作であるドライアップ対策ルーチンＳ１３１〜Ｓ１３５に移行することとなる。

他方、Ｓ２０９において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが基準回数より小さい場合には、Ｓ２１２において、検知処理を継続するかどうかが判断され、検知処理を継続する場合には、Ｓ２１３において、検知処理実施回数ｍが１つ加算されて、Ｓ２０２から再び、検知処理を繰り返すこととなる。

このような手順により、実施例２のの燃料電池システムも、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。

したがって、実施例２の燃料電池システムも、実施例１の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池スタック１に時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。

実施例３の燃料電池システムは、実施例１の燃料電池システム１００のドライアップ判定ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３に対して、図８に示すドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３が採用されたものである。他の構成は、実施例１の燃料電池システム１００と同様であるので、説明は省く。

実施例３の燃料電池システムにおいて、制御装置４は、図８のドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３のプログラムに示すように、単セル電圧検出手段Ｓ３０２、Ｓ３０４、電流値検出手段Ｓ３０３、Ｓ３０５、記憶手段Ｓ３０２〜Ｓ３０５、抽出手段Ｓ３０５ａ、単セル電圧比較手段Ｓ３０６、ドライアップ告知手段Ｓ３０７、Ｓ３０８、及び警告手段Ｓ３０９、Ｓ３１０を有する。

単セル電圧検出手段Ｓ３０２、Ｓ３０４は、各単セル１０に接続された電圧計（図示しない）により、一定時間毎に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）を検出するものである。

電流値検出手段Ｓ３０３、Ｓ３０５は、料電池スタック１に接続された電流計（図示しない）により、一定時間毎に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）を検出するものである。

記憶手段Ｓ３０２、Ｓ３０３、Ｓ３０４、Ｓ３０５は、検出された各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）及び電流値Ｉｓ（ｍ）を記憶するものである。

抽出手段Ｓ３０５ａは、全ての単セル１０の中で、最も電圧が高い単セル１０をＸとし、最も電圧が低い単セル１０をＹとして抽出するものである（Ｘ、Ｙは、総数ｐの単セルのＸ番目、及びＹ番目を示す）。

単セル電圧比較手段Ｓ３０６は、これら二つ（つまり、Ｘ番目、及びＹ番目）の単セル１０に係る単セル電圧ＶｃＸ（ｍ）、ＶｃＹ（ｍ）に対し、現在の差である現在電圧差（ＶｃＸ（ｍ）−ＶｃＹ（ｍ））と、前回の差である前回電圧差（ＶｃＸ（ｍ−１）−ＶｃＹ（ｍ−１））とを比較するものである。

ドライアップ告知手段Ｓ３０７、Ｓ３０８は、現在電圧差（ＶｃＸ（ｍ）−ＶｃＹ（ｍ））が前回電圧差（ＶｃＸ（ｍ−１）−ＶｃＹ（ｍ−１））より大きい場合、現在の電流値Ｉｓ（ｍ）が前回の電流値Ｉｓ（ｍ−１）以下であれば、ドライアップ信号を発するものである。

警告手段Ｓ３０９、Ｓ３１０は、ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発するものである。

このような構成である実施例３の燃料電池システムも、自動車に搭載されて、実施例１の燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。

そして、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図８に示すプログラムに従って、上述のドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３を実施する。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１が時間の経過とともに電圧が低下するドライアップであると判定した場合に警告信号を発する。

つまり、このドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３が実行されると、Ｓ３０１において、初期設定として、検知処理実施回数ｍ及びドライアップ信号連続発生回数ｎが０とされる。Ｓ３０２では、各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（０）、Ｖｃ２（０）、…、Ｖｃｐ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。次に、Ｓ３０３では、燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。

そして、Ｓ３０４〜Ｓ３１３において、ドライアップの検知処理が繰り返される。Ｓ３０４では、前回計測から一定時間経過後に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。Ｓ３０５では、前回計測から一定時間経過後に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）が検出さ、記憶手段に記憶される。さらに、Ｓ３０５ａでは、全ての単セル１０の中で、最も電圧が高い単セル１０がＸとされ、最も電圧が低い単セル１０がＹとされて抽出される。

Ｓ３０６では、Ｘ番目及びＹ番目の単セル１０に係る単セル電圧ＶｃＸ（ｍ）、ＶｃＹ（ｍ）に対し、現在の差である現在電圧差（ＶｃＸ（ｍ）−ＶｃＹ（ｍ））と、前回の差である前回電圧差（ＶｃＸ（ｍ−１）−ＶｃＹ（ｍ−１））とが比較される。その結果、Ｓ３０６において、現在電圧差（ＶｃＸ（ｍ）−ＶｃＹ（ｍ））が前回電圧差（ＶｃＸ（ｍ−１）−ＶｃＹ（ｍ−１））より大きい場合、Ｓ３０７において、現在の電流値Ｉｓ（ｍ）が前回の電流値Ｉｓ（ｍ−１）以下であれば、Ｓ３０８において、ドライアップ信号が発せられる。この際、連続してドライアップ信号が発生されれば、Ｓ３０８において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが１つ加算される。他方、Ｓ３０６又はＳ３０７において、判定式が成立せず、ドライアップ信号の発生が途切れれば、Ｓ３１１において、ドライアップ信号連続発生回数ｎがリセットされて０となる。

そして、Ｓ３０９において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが基準回数以上である場合には、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、Ｓ３１０において、警告信号が発生され、それによって、燃料電池システムは、所定の回復動作であるドライアップ対策ルーチンＳ１３１〜Ｓ１３５に移行することとなる。

他方、Ｓ３０９において、ドライアップ信号連続発生回数ｎが基準回数より小さい場合には、Ｓ３１２において、検知処理を継続するかどうかが判断され、検知処理を継続する場合には、Ｓ３１３において、検知処理実施回数ｍが１つ加算されて、Ｓ３０４から再び、検知処理を繰り返すこととなる。

このような手順により、実施例３の燃料電池システムも、単セルレベルでのドライアップの抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。

ここで、実施例１の燃料電池システム１００でも説明した図５の測定結果に基づいて、実施例３のドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｄ３１３の作用を説明する。

例えば、グラフ中の領域Ｔにおいて、各単セル１０のうち、曲線Ｇ５に示す単セル１０は、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが顕著に生じている状態である。他方、曲線Ｇ１に示す単セル１０は、そのドライアップが殆ど生じていない状態である。そして、曲線Ｇ５から解るように、そのドライアップが生じた単セル１０では、時間の経過とともに、電圧が低下する傾向を示す。このため、この測定結果に対して上述のドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３を適用すれば、Ｓ３０５ａにおいて、曲線Ｇ１に示す単セル１０が最も電圧が高い単セルとされ、曲線Ｇ５に示す単セル１０が最も電圧が低い単セルとされて、抽出される。そして、流域Ｔにおいて、曲線Ｇ１が減少していないのに対して、曲線Ｇ５が段々と減少していることから、Ｓ３０６、Ｓ３０７の判定式が成立して、そのドライアップと判定されることとなる。こうして、実施例３のドライアップ判定ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３も、確実に単セルレベルでのドライアップを検知することができている。

したがって、実施例３の燃料電池システムも、実施例１の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池スタック１に時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制することができている。

以上において、本発明を実施例１〜３に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜３に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は燃料電池システムに利用可能である。

実施例１の燃料電池システムに係る模式構成図である。 実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの積層体の模式断面図である。 実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックのドライアップ判定ルーチンのフローチャートである。 実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックのドライアップ対策ルーチンのフローチャートである。 実施例１の燃料電池システムに係り、経過時間と燃料電池スタックの各単セル電圧との関係を示すグラフである。 実施例２の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックのドライアップ判定ルーチンのフローチャートである。 実施例２の燃料電池システムに係り燃料電池スタックのＩＶ特性を示すグラフである。 実施例３の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックのドライアップ対策ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０…単セル
１…燃料電池スタック
２…蓄電装置
３…負荷装置
４…制御装置
１００…燃料電池システム
Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）…単セル電圧
Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ２０２、Ｓ３０２、Ｓ３０４…単セル電圧検出手段
Ｓ１０３〜Ｓ１０５、Ｓ３０３〜３０５…記憶手段
Ｓ１０６、Ｓ３０６…単セル電圧比較手段
Ｓ１０７、Ｓ１０８、Ｓ２０８、Ｓ３０７、Ｓ３０８…ドライアップ告知手段
Ｓ１０９、Ｓ１１０、Ｓ２０９、Ｓ２１０、Ｓ３０９、Ｓ３１０…警告手段
Ｓ２０４…平均電圧算出手段
Ｓ２０５、Ｓ２０６…ＩＶ特性比較手段
Ｓ３０５ａ…抽出手段
Ｓ１３１〜Ｓ１３４…空気量変更手段
Ｓ１３５…電流値制限手段
ｎ…ドライアップ信号連続発生回数

Claims (7)

1. 燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
   該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
   該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
   一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
   各該単セル電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
   現在の各該単セル電圧と前回の各該単セル電圧とを比較する単セル電圧比較手段と、
   いずれかの該単セルについて、現在の該単セル電圧が前回の該単セル電圧より低い場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップ信号を発するドライアップ告知手段と、
   該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
   該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
   該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
   一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
   各該単セル電圧の平均である平均電圧を算出する平均電圧算出手段と、
   該平均電圧及び電流値から導いた平均ＩＶ特性と予め設定した基準ＩＶ特性とを比較するＩＶ特性比較手段と、
   該平均ＩＶ特性が該基準ＩＶ特性より低い場合、ドライアップ信号を発するドライアップ告知手段と、
   該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、
   該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
   該燃料電池スタックとの接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池スタックの電流値を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
   一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
   各該単セル電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
   全ての該単セルの中で、最も電圧が高い該単セルと最も電圧が低い該単セルとを抽出する抽出手段と、
   これら二つの該単セルに係る該単セル電圧に対し、現在の差である現在電圧差と、前回の差である前回電圧差とを比較する単セル電圧比較手段と、
   該現在電圧差が該前回電圧差より大きい場合、現在の電流値が前回の電流値以下であれば、ドライアップ信号を発するドライアップ告知手段と、
   該ドライアップ信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、時間の経過とともに電圧が低下するドライアップが生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記警告信号が発せられた時、前記燃料電池スタックが冷却されるように該燃料電池スタックに供給する空気量を増加させる空気量変更手段を有する請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記ドライアップ告知手段が前記ドライアップ信号を発しない場合、前記警告手段は前記警告信号を解除し、前記空気量変更手段は、前記燃料電池スタックに供給する空気量を減少させる請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置は、前記警告信号が発せられた時、前記燃料電池スタックが冷却されるように該燃料電池スタックの電流値を制限する電流値制限手段を有する請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記電流値制限手段は、前記蓄電装置及び前記負荷装置によって前記燃料電池スタックの電流値を減少させる請求項６記載の燃料電池システム。

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