JP5324522B2

JP5324522B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5324522B2
Application number: JP2010121597A
Authority: JP
Inventors: 正和濱地; 章二安藤; 敏勝片桐
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: JP2011029158A

Description

この発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給すると、電気化学反応により発電を行うものがある。
この燃料電池では、固体高分子電解質膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなって、出力が低下するので、良好な発電状態を維持するためには固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保つ必要がある。

固体高分子電解質膜の湿度（燃料電池の湿度という場合もある）の不足を防止するために、燃料電池の湿度が低下したことを検知したときに、燃料電池への空気の供給を停止する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃料電池への空気の供給を停止することで、燃料電池から水分を含む空気が排出されるのを阻止して、燃料電池の湿度がそれ以上低下するのを防止している。

また、燃料電池のカソードから排出される酸化剤オフガスに含まれる水分を回収し、回収した水分を燃料電池に供給する酸化剤ガスに加える加湿器を備えた燃料電池システムの場合には、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度低下を検知したときに、酸化剤オフガスの流路に設けられた背圧弁を絞って、酸化剤オフガスの圧力を上昇させることによって、酸化剤オフガス中の凝縮水量を増加させ、これにより加湿器における酸化剤ガスへの加湿量を増やし、燃料電池の湿度不足を防止する燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−９２８０１号公報特開２００８−３０５７００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池への空気の供給を停止してしまうので、燃料電池の運転を継続することができなくなるという課題がある。
一方、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の運転を継続しながら燃料電池の湿度不足を防止することはできるものの、背圧弁を絞って酸化剤オフガスの圧力を上昇させるときに、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を圧力上昇前の供給量で一定に保つために空気ポンプの負荷（回転数）を増加させるようにしているため、消費電力が増加し、ＮＥＴ出力（正味出力）が低減するという課題がある。

そこで、この発明は、エネルギーマネージメント上有利に燃料電池の湿度不足を防止することができる燃料電池システムを提供するものである。

この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）と、前記燃料電池への酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、後述する実施例における空気流路４）と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを流通させる酸化剤オフガス流路（例えば、後述する実施例における空気オフガス流路６）と、前記酸化剤ガス流路に配置され前記燃料電池へ酸化剤ガスを送り込む酸化剤ポンプ（例えば、後述する実施例における空気ポンプ３）と、前記酸化剤オフガス流路から前記酸化剤ガス流路へ水分を移動させる加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器５）と、前記酸化剤オフガス流路に配置され前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁（例えば、後述する実施例における背圧弁７）と、前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施例における空気オフガス温度センサ２３、冷却水温度センサ２４）と、前記温度センサで検出した温度情報に基づいて前記酸化剤ポンプと前記背圧弁とを制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置４０）と、を備え、前記制御部は、前記温度センサで検出される前記燃料電池の冷却水温度と前記加湿器の入口ガス温度とから加湿状態値を繰り返し求め、前記燃料電池の負荷状態に応じて設定した乾燥判定値を、前記繰り返しの都度、前回設定した値に加算して設定し、前記加湿状態値が前記乾燥判定値よりも小さいときに燃料電池内が加湿不足と判定し、前記酸化剤ポンプの出力を低下させて酸化剤ガス供給量を低下させることを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）である。

請求項２に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）と、前記燃料電池への酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、後述する実施例における空気流路４）と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを流通させる酸化剤オフガス流路（例えば、後述する実施例における空気オフガス流路６）と、前記酸化剤ガス流路に配置され前記燃料電池へ酸化剤ガスを送り込む酸化剤ポンプ（例えば、後述する実施例における空気ポンプ３）と、前記酸化剤オフガス流路から前記酸化剤ガス流路へ水分を移動させる加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器５）と、前記酸化剤オフガス流路に配置され前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁（例えば、後述する実施例における背圧弁７）と、前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施例における空気オフガス温度センサ２３、冷却水温度センサ２４）と、前記温度センサで検出した温度情報に基づいて前記酸化剤ポンプと前記背圧弁とを制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置４０）と、を備え、前記制御部は、前記温度センサで検出される前記燃料電池の冷却水温度と前記加湿器の入口ガス温度とから加湿状態値を繰り返し求め、前記燃料電池の負荷状態に応じて設定した乾燥判定値を、前記繰り返しの都度、前回設定した値に加算して設定し、前記加湿状態値が前記乾燥判定値よりも小さいときに燃料電池内が加湿不足と判定し、前記酸化剤ポンプの出力を増加させることなく、前記背圧弁の開度を小さくして酸化剤ガスの圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）である。

請求項３に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）と、前記燃料電池への酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、後述する実施例における空気流路４）と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを流通させる酸化剤オフガス流路（例えば、後述する実施例における空気オフガス流路６）と、前記酸化剤ガス流路に配置され前記燃料電池へ酸化剤ガスを送り込む酸化剤ポンプ（例えば、後述する実施例における空気ポンプ３）と、前記酸化剤オフガス流路から前記酸化剤ガス流路へ水分を移動させる加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器５）と、前記酸化剤オフガス流路に配置され前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁（例えば、後述する実施例における背圧弁７）と、前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施例における空気オフガス温度センサ２３、冷却水温度センサ２４）と、前記温度センサで検出した温度情報に基づいて前記酸化剤ポンプと前記背圧弁とを制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置４０）と、を備え、前記制御部は、前記温度センサで検出される前記燃料電池の冷却水温度と前記加湿器の入口ガス温度とから加湿状態値を繰り返し求め、前記燃料電池の負荷状態に応じて設定した乾燥判定値を、前記繰り返しの都度、前回設定した値に加算して設定し、前記加湿状態値が前記乾燥判定値よりも小さいときに燃料電池内が加湿不足と判定し、前記酸化剤ポンプの出力を低下させて酸化剤ガス供給量を低下させるとともに、前記背圧弁の開度を小さくして酸化剤ガスの圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）である。

請求項１に係る発明によれば、酸化剤ガス供給量を低下させると、加湿器で加湿された酸化剤ガスの湿度を高くすることができ、また、酸化剤ガス供給量を低下させると、酸化剤ガスが燃料電池のカソード（あるいは固体高分子電解質膜）から奪う水分の量を減らすことができ、これらの相乗効果で燃料電池（固体高分子電解質膜）の湿度を回復することができ、燃料電池の出力を増大させることができる。
また、酸化剤ガス供給量を低下させるように前記酸化剤ポンプの出力を低下させる制御をするだけであるので、酸化剤ポンプの負荷を低減するだけで燃料電池の出力を増大することができ、エネルギーマネージメント上有利となる。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池での酸化剤ガスの圧力を上昇させると、酸化剤オフガス中の凝縮水量を増大させることができるので、加湿器における酸化剤ガスへの加湿量を増やすことができ、湿度の高い酸化剤ガスを燃料電池に供給することができるので、燃料電池（固体高分子電解質膜）の湿度を回復することができ、燃料電池の出力を増大させることができる。
また、酸化剤ポンプの出力を増加させないので、エネルギーマネージメント上有利となる。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池での酸化剤ガスの圧力を上昇させると、酸化剤オフガス中の凝縮水量を増大させることができるので、加湿器における酸化剤ガスへの加湿量を増やすことができ、且つ、酸化剤ガス供給量を低下するので、加湿器で加湿された酸化剤ガスの湿度を高くすることができ、また、酸化剤ガス供給量を低下すると、酸化剤ガスが燃料電池のカソード（あるいは固体高分子電解質膜）から奪う水分の量を減らすことができるので、これらの相乗効果で燃料電池（固体高分子電解質膜）の湿度を回復することができ、燃料電池の出力を増大させることができる。
また、酸化剤ポンプの出力を低下させて酸化剤ガス供給量を低下させるとともに、背圧弁の開度を小さくして前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を上昇させるので、酸化剤ポンプの負荷を低減しながら燃料電池の出力を増大させることができ、その結果、燃料電池のＮＥＴ出力を増大することができるので、エネルギーマネージメント上有利となる。

この発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。加湿器の作用を模式的に示した図である。空気流量が湿度に与える影響を説明する図である。湿度回復の原理を説明する図である。供給空気制御を示すフローチャートである。加湿特性マップの一例である。カソード乾燥判定値を算出するためのマップの一例である。前記供給空気制御を実行したときのタイムチャートの一例である。

以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図８の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池で発電した電気で駆動モータを動作させ走行する燃料電池車両に搭載された態様である。

図１は、この実施例における燃料電池システム１の概略構成を示した図である。
燃料電池２は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路とカソードガス流路を備えてなるセルを複数積層しＦＣスタックとして構成されており、アノードガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

酸化剤ガスとしての空気は空気ポンプ３により所定圧力に加圧され、空気流路（酸化剤ガス流路）４を通って燃料電池２のカソードに供給される。空気ポンプ３は電気モータを駆動源としており、前記電気モータは燃料電池２が発電した電気によって駆動される。なお、燃料電池２が発電した電気は図示しないバッテリに蓄電可能とされており、前記電気モータはバッテリから供給される電気によっても駆動可能となっている。
燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソード側の生成水と共に空気オフガス（酸化剤オフガス）として排出され、空気オフガス流路（酸化剤オフガス流路）６を通って希釈器８に導かれる。

空気流路４と空気オフガス流路６の途中には、例えば水透過膜を備えた加湿器５が設けられている。図２は加湿器５の作用を模式的に表した図であり、水透過膜５ａを間に挟んで燃料電池２のカソードに供給される空気（図２で供給空気と表示）と燃料電池２から排出された空気オフガスを流通させることにより、空気オフガスに含まれる水分が水透過膜５ａを透過して供給空気側に移動し、燃料電池２に供給される空気が加湿される。つまり、空気ポンプ３から送給された空気は加湿器５で加湿されて燃料電池２に供給され、燃料電池２から排出された空気オフガスは加湿器５で除湿されて希釈器８に送給される。換言すると、加湿器５は、空気オフガス流路６から空気流路４へ水分を移動させる手段である。
加湿器５より下流の空気オフガス流路６には、燃料電池２のカソードにおける空気圧力を調整するための背圧弁７が設けられている。

一方、燃料ガスとしての水素ガスは、高圧の水素タンク１０から燃料ガス流路１１を通って燃料電池２のアノードに供給される。燃料ガス流路１１には、上流側から順に、遮断弁１２、レギュレータ１３、エゼクタ１４が設けられている。
レギュレータ１３は、燃料電池２に供給される空気の圧力（すなわち、カソード圧力）を信号圧として、水素タンク１０から供給される高圧の水素ガスを、前記信号圧よりも所定圧力だけ高い圧力となるように調圧（減圧）するものであり、レギュレータ１３により調圧された水素ガスが燃料電池２のアノードに供給される。これにより、燃料電池２のカソードとアノードの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、前記信号圧をレギュレータ１３に導くために、加湿器５の上流側の空気流路４から分岐した導圧路１５がレギュレータ１３に接続されている。なお、符号１６は導圧路１５に設けられたリリーフ弁である。

燃料電池２で消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池２から燃料オフガスとして排出され、燃料オフガス流路１７を通ってエゼクタ１４に吸引され、水素タンク１０から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池２のアノードに供給される。すなわち、この燃料電池システム１では、燃料電池２から排出される水素ガスが燃料ガスとして循環利用される。
燃料オフガス流路１７には、水素オフガスに含まれる凝縮水を捕集するキャッチタンク１８が設けられており、エゼクタ１４には凝縮水を除去された水素ガスが供給されるようになっている。このキャッチタンク１８で捕集された水は排水路１９を介して希釈器８に排出可能とされており、キャッチタンク１８に所定量の水が溜まると排水路１９に設けられた排水弁２０が開いて希釈器８に排出されるようになっている。
また、キャッチタンク１８よりも下流の燃料オフガス流路１７からは、排出弁２１を備えたパージ流路２２が分岐している。排出弁２１は燃料電池２の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いて燃料オフガスを希釈器８へ排出する。
そして、希釈器８において、燃料オフガスは背圧弁７から排出される空気オフガスによって希釈され、希釈器８から排出される。

また、燃料電池２は内部に冷却通路を備えており、この冷却通路に冷却水を流通させることによって燃料電池２から熱を奪い、発電に伴う発熱で燃料電池２が所定の上限温度を越えないよう冷却している。この冷却水は燃料電池２と冷却装置３０との間で循環するようになっている。
冷却装置３０は、ラジエタ３１と、ラジエタ３１の出口と燃料電池２の冷却通路入口とを接続する冷却水供給流路３２と、燃料電池２の冷却水出口とラジエタ３１の入口とを接続する冷却水戻り流路３３と、冷却水供給流路３２の途中に設けられた冷却水ポンプ３４と、ラジエタ３１をバイパスして冷却水供給流路３２と冷却水戻り流路３３とを接続するバイパス流路３５と、冷却水をラジエタ３１とバイパス流路３５のいずれに流すかを選択する切替弁３６とを備えて構成されている。

冷却水は冷却水ポンプ３４によって昇圧されて燃料電池２の冷却通路に供給され、燃料電池２との熱交換によって暖められた冷却水は燃料電池２から排出されて冷却水戻り流路３３を通り、ラジエタ３１に送られる。ラジエタ３１において外部に放熱することにより冷却された冷却水は、冷却水供給流路３２を通って冷却水ポンプ３４に戻り、再び冷却水ポンプ３４で昇圧されて燃料電池２に供給される。また、燃料電池２の温度を上げたいときには、切替弁３６を切り替えて、冷却水をラジエタ３１をバイパスさせてバイパス流路３５に流通させることにより、ラジエタ３１からの放熱を禁止する。

また、加湿器５よりも上流側の空気流路４には、空気ポンプ３から加湿器５に供給される空気の温度を検出する加湿器入口ガス温度センサ２３が設けられ、冷却水戻り流路３３には燃料電池２から排出された冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ２４が設けられている。なお、この冷却水温度センサ２４で検出される冷却水温度は燃料電池２の内部温度にほぼ等しい。さらに、この燃料電池システム１は、燃料電池２から取り出される取出電流を検出する電流計２５を備えている。これら温度センサ２３，２４と電流計２５は検出値に応じた電気信号を電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）４０に出力する。

ＥＣＵ４０は、燃料電池自動車の運転状態に応じて燃料電池２に要求される出力を算出し、この要求出力に応じた目標空気流量と目標空気圧力を算出して、目標空気圧力で目標空気流量の空気が燃料電池２のカソードに供給されるように、空気ポンプ３の負荷（回転数）制御と背圧弁７の開度制御を行う。

さらに、この燃料電池システム１においては、ＥＣＵ４０は、温度センサ２３，２４で検出した温度情報と、電流計２５で検出した取出電流情報に基づいて、燃料電池２内の湿度が所定値よりも低下しているか否かを判定し、燃料電池２内の湿度が所定値よりも低下していないと判断した場合には通常モードの目標空気流量および目標空気圧力による通常モード制御を行い、燃料電池２内の湿度が所定値よりも低下していると判断した場合には高温モードの目標空気流量および目標空気圧力による高温モード制御を行うことで、湿度の回復（上昇）を図り、高温時の発電性能の向上を図る。

ここで、燃料電池２の高温化により低下した燃料電池２内の湿度を高める方法について考察する。
第１の方法は、背圧弁７の開度を絞る方法である。背圧弁７の開度を絞ると、燃料電池２に供給される空気の圧力、および、燃料電池２から排出される空気オフガスの圧力が上昇し、いずれも水分が凝縮し易くなって、凝縮水が増える（図４（Ａ）参照）。空気オフガス中の凝縮水が増えると、加湿器５において空気オフガスから空気側へ移動する水の量が多くなり、その結果、燃料電池２に供給される空気の湿度を高めることができる（図４（Ｂ）参照）。そして、この湿度の高い空気が燃料電池２のカソードに供給されるようになり、しかも、この空気の圧力も高く凝縮し易いので、空気とともに燃料電池２のカソードに供給された凝縮水がカソードを湿潤させるとともに、空気中の水分がカソードにおいて凝縮してカソードを湿潤させる。これにより、燃料電池２のカソードの湿度を回復することができ、すなわち、燃料電池２の湿度を回復することができる。そして、燃料電池２の湿度が回復することによって、燃料電池２の電圧が増大し、出力を増大させることができる。

ただし、前述した従来技術のように、背圧弁７の開度を絞ったときに、燃料電池２に供給される空気の流量を背圧弁７の開度制御を絞る前と同じにするために空気ポンプ３の負荷（回転数）を増大すると、空気ポンプ３での消費電力が増大し、せっかく燃料電池２の出力が増大しても、ＮＥＴ出力の増大を低減させてしまう。これは、エネルギーマネージメント上、不利である。
したがって、背圧弁７の開度を絞るときには、空気ポンプ３への供給電力を増加させないように制御する。

第２の方法は、燃料電池２のカソ−ドへの空気の供給量を減らす方法である。空気オフガスの湿度が一定で、加湿器５において空気オフガスから空気側に移動する水の量（換言すると、空気が受け取る凝縮水の量）が一定である場合で比較すると、図３に示すように、燃料電池２に供給する空気の流量が小さい方が大きい方よりも燃料電池２に供給される空気の湿度を高めることができ、加湿割合が大きくなる。また、燃料電池２に供給する空気の流量が小さいと、該空気が燃料電池２のカソ−ドから奪っていく水分量が少なくなり、これはカソードの湿度を増大させる方向に作用する。これにより、燃料電池２のカソードの湿度を回復することができ、すなわち、燃料電池２内の湿度を回復することができる（図４（Ｃ）参照）。そして、燃料電池２の湿度が回復することによって、燃料電池２の電圧が増大し、出力を増大させることができる。

よって、この燃料電池システム１において、燃料電池２の高温化により低下した燃料電池２内の湿度を回復する処理（湿度回復処理）としては、次の（Ａ）〜（Ｃ）に記載する制御のうちいずれか１つを実行することとする。
（Ａ）燃料電池２への空気流量を低下させるように空気ポンプ３を制御する。換言すると、空気ポンプ３の出力を低下させて空気流量を低下させる。これは請求項１に係る発明に対応する。
（Ｂ）空気ポンプ３への供給電力を増加させることなく、燃料電池２のカソードの空気圧力を上昇させるように背圧弁７を制御する。換言すると、空気ポンプ３の出力を増加させることなく、背圧弁７の開度を小さくして空気圧力を上昇させる。これは請求項２に係る発明に対応する。
（Ｃ）燃料電池２への空気流量を低下させるように空気ポンプ３を制御するとともに、燃料電池２のカソードの空気圧力を上昇させるように背圧弁７を制御する。換言すると、空気ポンプ３の出力を低下させて空気流量を低下させるとともに、背圧弁７の開度を小さくして空気圧力を上昇させる。これは請求項３に係る発明に対応する。

上記（Ａ）のように制御すると、燃料電池２への空気流量を低下させることで、前述したように、加湿器５での空気に対する加湿割合が大きくなるので、燃料電池２に供給される空気の湿度を高めることができ、また、空気流量を低下させると、空気が燃料電池２のカソードから奪う水分量を減らすことができ、これらの相乗効果で燃料電池２の湿度を回復させることができ、燃料電池２の出力を増大させることができる。また、上記（Ａ）の制御では、空気流量を低下させるように空気ポンプ３の出力を制御するだけであるので、空気ポンプ３の負荷を低減するだけで燃料電池２の出力を増大することができ、その結果、燃料電池２のＮＥＴ出力を増大することができるので、エネルギーマネージメント上有利となる。

上記（Ｂ）のように制御すると、燃料電池２のカソードの空気圧力を上昇させることで、空気オフガス中の凝縮水量を増大させることができるので、加湿器５において空気への加湿量を増やすことができ、湿度の高い空気を燃料電池２のカソードに供給することができ、また、カソードに空気とともに供給される凝縮水、およびカソードに供給された空気中の水分がカソードにおいて凝縮して生じた凝縮水がカソードを湿潤させるので、燃料電池２の湿度を回復させることができ、燃料電池２の出力を増大させることができる。また、上記（Ｂ）の制御では、空気ポンプ３の出力を増加させないので、燃料電池２のＮＥＴ出力を増大することができ、エネルギーマネージメント上有利となる。

上記（Ｃ）のように制御すると、燃料電池２への空気流量を低下させることで、加湿器５での空気に対する加湿割合が大きくなるので、燃料電池２に供給される空気の湿度を高めることができ、また、空気流量を低下させると、空気が燃料電池のカソードから奪う水分量を減らすことができ、さらに、燃料電池２のカソードの空気圧力を上昇させることで、空気オフガス中の凝縮水量を増大させて、加湿器５において空気への加湿量を増やすことができ、湿度の高い空気を燃料電池２のカソードに供給することができ、カソードに空気とともに供給される凝縮水、および空気中の水分がカソードにおいて凝縮して生じた凝縮水がカソードを湿潤させるので、燃料電池２の湿度を回復させることができ、燃料電池２の出力を増大させることができる。また、上記（Ｃ）の制御では、背圧弁７の開度を小さくして燃料電池２のカソードの空気圧力を上昇させるが、これと同時に空気ポンプ３の出力を低下させて燃料電池２への空気流量を低下させるので、空気ポンプ３の負荷を低減しながら燃料電池２の出力を増大させることができ、その結果、燃料電池２のＮＥＴ出力を増大することができるので、エネルギーマネージメント上有利となる。

次に、前記（Ｃ）の制御の具体例を図５に示すフローチャートと図８に示すタイムチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ１０１において、乾燥判定フラグが１か否かを判定する。なお、乾燥判定フラグは初期値を０に設定されている。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（≠１）である場合には、ステップＳ１０２に進み、乾燥判定フラグを０に設定するとともに、乾燥判定確定中カウンタをリセットして、ステップＳ１０３へ進む。
ステップＳ１０３において、燃料電池２の負荷に応じた通常モード時における目標空気圧力を例えばマップ（図示略）を参照して算出する。
次に、ステップＳ１０４に進み、燃料電池２の現在の負荷に応じた通常モード時における目標空気流量を例えばマップ（図示略）を参照して算出する。

次に、ステップＳ１０５に進み、燃料電池２の現在の負荷に応じた加湿特性マップを選択する。出願人は、空気ポンプ３から加湿器５に供給される空気の温度（以下、加湿器入口空気温度という）と、燃料電池２から排出される冷却水の温度（以下、冷却水出口温度という）と、燃料電池２のカソードの空気の湿度（以下、カソード湿度と略す）との間に一定の相関関係があること、および、その相関関係は燃料電池２の負荷状態（取出電流Ｉ）によって異なることを知見として得ている。そこで、予め実験を行い、燃料電池２の負荷毎に、図６に例示するように、加湿器入口空気温度と冷却水出口温度とカソード湿度の関係をマップ化し、加湿特性マップとして用意しておく。ステップＳ１０５では、用意された負荷毎の加湿特性マップから、燃料電池２の現在の負荷に対応する加湿特性マップを選択する。
次に、ステップＳ１０６に進み、選択された加湿特性マップを参照して、冷却水温度センサ２４で検出された冷却水温度と、加湿器入口ガス温度センサ２３により検出された供給空気の温度に基づいて、燃料電池２のカソード湿度Ａ１を算出する。

次に、ステップＳ１０７に進み、燃料電池２の負荷に応じたカソード乾燥判定値Ａ２を算出する。ここで、カソード乾燥判定値Ａ２は、カソード湿度Ａ１がこのカソード乾燥判定値Ａ２を下回ったときには、燃料電池２のカソードが乾燥気味であると判定するための湿度閾値であり、燃料電池２の負荷状態によって変わる変数である。なお、燃料電池２の負荷は、電流計２５によって検出される取出電流Ｉで判断する。

図７は、カソード乾燥判定値（湿度値）Ａ２をマップを用いて算出する場合のマップ例を示したものである。図７（Ａ）は乾燥判定初期設定値Ａ_２１を算出するマップであり、図７（Ｂ）は乾燥判定加算レートＡ_２２を算出するマップである。
乾燥判定初期設定値Ａ_２１は、通常モードの運転に入った当初、あるいは、通常モードから高温モードに切り替わったときに、その時点の燃料電池２からの取出電流Ｉに基づき、図７（Ａ）に示す乾燥判定初期設定値マップを参照して設定される。なお、図７（Ａ）に示す乾燥判定初期設定値マップでは、取出電流値Ｉが大きくなるほど乾燥判定初期設定値Ａ_２１は大きい値に設定される。

乾燥判定加算レートＡ_２２は、乾燥判定初期設定値Ａ_２１設定後、燃料電池２の温度が予め設定された所定温度Ｔ１を越えたときに乾燥判定初期設定値Ａ_２１に加算されるものであり、その時点における取出電流Ｉに基づき、図７（Ｂ）に示す乾燥判定加算レートマップを参照して設定される。なお、図７（Ｂ）に示す乾燥判定加算レートマップでは、取出電流Ｉが大きくなるほど乾燥判定加算レートＡ_２２は大きい値に設定される。

カソード乾燥判定値Ａ２は、乾燥判定初期設定値Ａ_２１に乾燥判定加算レートＡ_２２を加算して算出され、乾燥判定加算レートＡ_２２は加算され続け、つまり積算されていく。そして、通常モードから高温モードに切り替わったときに、乾燥判定加算レートＡ_２２の積算はリセットされ、乾燥判定初期設定値Ａ_２１の再設定が行われる。また、高温モードの間は乾燥判定加算レートＡ_２２の積算は行われない。

次に、ステップＳ１０７からステップＳ１０８に進み、ステップＳ１０６において算出したカソード湿度Ａ１が、ステップＳ１０７において算出したカソード乾燥判定値Ａ２よりも小さいか否かを判定する。
ステップＳ１０８における判定結果が「ＮＯ」（Ａ１≧Ａ２）である場合には、燃料電池２のカソードの湿度は適正であると判定して、ステップＳ１０９に進み、燃料電池２のアノードにおける空気の目標圧力（目標空気圧力）をステップＳ１０３において算出した通常モードにおける目標空気圧力に設定し、該目標空気圧力となるように背圧弁７の開度制御を実行する。
さらに、ステップＳ１１０に進み、燃料電池２に供給する空気の目標流量（目標空気流量）をステップＳ１０４において算出した通常モードにおける目標空気流量に設定し、該目標空気流量となるように空気ポンプ３の回転数制御を実行し、本ルーチンの実行を一旦終了する。

一方、ステップＳ１０８における判定結果が「ＹＥＳ」（Ａ１＜Ａ２）である場合には、燃料電池２のカソードの湿度が不足気味であると判定して、ステップＳ１１１に進み、目標空気圧力を燃料電池２の負荷に応じた高温モードにおける目標空気圧力に設定し、該目標空気圧力となるように背圧弁７の開度制御を実行する。ここで、燃料電池２の負荷に応じた高温モードにおける目標空気圧力は、燃料電池２の負荷に応じた通常モードにおける目標空気圧力よりも所定圧力だけ大きい値に設定される。このときの前記所定圧力は燃料電池２の負荷にかかわらず一定値としてもよいし、燃料電池２の負荷に応じて変わる変数としてもよい。

さらに、ステップＳ１１２に進み、目標空気流量を燃料電池２の負荷に応じた高温モードにおける目標空気流量に設定し、該目標空気流量となるように空気ポンプ３の回転数制御を実行する。ここで、燃料電池２の負荷に応じた高温モードにおける目標空気流量は、燃料電池２の負荷に応じた通常モードにおける目標空気流量よりも所定量だけ小さい値に設定される。このときの前記所定量は燃料電池２の負荷にかかわらず一定値としてもよいし、燃料電池２の負荷に応じて変わる変数としてもよい。
次に、ステップＳ１１３に進み、乾燥判定フラグを１に設定し、さらに、ステップＳ１１４に進んで、乾燥判定確定中カウンタに１を加算して、本ルーチンの実行を一旦終了する。

ステップＳ１１３において乾燥判定フラグが１に設定されると、次にこのルーチンを実行したときにはステップＳ１０１において肯定判定されるので、ステップＳ１０１からステップＳ１１５に進み、乾燥判定確定中カウンタが規定カウント以上か否かを判定する。

ステップＳ１１５における判定結果が「ＮＯ」（規定カウント未満）である場合には、ステップＳ１１１に進む。すなわち、乾燥判定確定中カウンタが規定カウントに達するまで、ステップＳ１１１〜Ｓ１１４の処理を繰り返し、高温モードの目標空気圧力および目標空気流量による供給空気制御（高温モード制御）を継続する。

一方、ステップＳ１１５における判定結果が「ＹＥＳ」（規定カウント以上）である場合には、ステップＳ１０２に進み、乾燥判定フラグを０に設定するとともに、乾燥判定確定中カウンタをリセットする。つまり、乾燥判定確定中カウンタが規定カウントに達した場合には、高温モード制御を一旦終了して、通常モードにおける目標空気圧力および目標空気流量による供給空気制御（通常モード制御）に切り替える。

図８に示すタイムチャートは、上述のように供給空気制御を行った場合の一例である。
通常モード制御が行われているときであって、冷却水の温度が所定温度Ｔ１で一定の間（図８において時間ｔ１まで）は、カソード湿度Ａ１はほぼ一定であり、また、カソード乾燥判定値Ａ２も一定であって、カソード湿度Ａ１はカソード乾燥判定値Ａ２よりも大きい。つまり、燃料電池２のカソードは十分な湿度に保たれている。

時間ｔ１を過ぎて、冷却水の温度が所定温度Ｔ１を上回り、温度上昇が続くと、燃料電池２の温度上昇に伴いカソード湿度Ａ１が徐々に低下していく。一方、カソード乾燥判定値Ａ２は、燃料電池２の温度が所定温度Ｔ１を越えたときから乾燥判定加算レートＡ_２２の積算が開始されることによって、徐々に増大していく。

そして、時間ｔ２においてカソード湿度Ａ１がカソード乾燥判定値Ａ２よりも下回ったときに、通常モード制御から高温モード制御に切り替わる。高温モード制御に入ると、背圧弁７の開度が絞られることにより燃料電池２のカソード圧力が通常モード時よりも高くなり、空気ポンプ３の回転数が低減されることにより燃料電池２に供給される空気流量が通常モード時よりも低減する。
一方、カソード乾燥判定値Ａ２は、通常モードから高温モードに切り替わった直後に乾燥判定加算レートＡ_２２の積算値がリセットされ、乾燥判定初期設定値Ａ_２１が再設定されるので、即座に低減する。

また、燃料電池２の冷却水温度は高温モード制御に入っても低下せず、通常モード制御時における冷却水温度の最大値を越えてしまうが、燃料電池２のカソード圧力が通常モード時よりも高くなり、燃料電池２に供給される空気流量が通常モード時よりも低減したことによって、カソード湿度Ａ１は回復し、カソード乾燥判定値Ａ２よりも上回るようになる。

なお、前述した実施例では、冷却水の温度と加湿器入口の空気温度に基づいてカソード湿度Ａ１を算出し、このカソード湿度Ａ１がカソード乾燥判定値Ａ２よりも下回るという条件を満たした場合に、燃料電池２のカソードが湿度不足気味であると判定し、湿度回復処理として前述した（Ｃ）の制御を実行したが、湿度回復処理は（Ｃ）の制御に限るものではなく、前述した（Ａ）または（Ｂ）の制御であってもよい。

１燃料電池システム
２燃料電池
３空気ポンプ（酸化剤ポンプ）
４空気流路（酸化剤ガス流路）
５加湿器
６空気オフガス流路（酸化剤オフガス流路）
７背圧弁
２３加湿器入口ガス温度センサ（温度センサ）
２４冷却水温度センサ（温度センサ）
４０電子制御装置（制御部）

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとを供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池への酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを流通させる酸化剤オフガス流路と、
前記酸化剤ガス流路に配置され前記燃料電池へ酸化剤ガスを送り込む酸化剤ポンプと、
前記酸化剤オフガス流路から前記酸化剤ガス流路へ水分を移動させる加湿器と、
前記酸化剤オフガス流路に配置され前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁と、
前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出した温度情報に基づいて前記酸化剤ポンプと前記背圧弁とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記温度センサで検出される前記燃料電池の冷却水温度と前記加湿器の入口ガス温度とから加湿状態値を繰り返し求め、
前記燃料電池の負荷状態に応じて設定した乾燥判定値を、前記繰り返しの都度、前回設定した値に加算して設定し、
前記加湿状態値が前記乾燥判定値よりも小さいときに燃料電池内が加湿不足と判定し、前記酸化剤ポンプの出力を低下させて酸化剤ガス供給量を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
酸化剤ガスと燃料ガスとを供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池への酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを流通させる酸化剤オフガス流路と、
前記酸化剤ガス流路に配置され前記燃料電池へ酸化剤ガスを送り込む酸化剤ポンプと、
前記酸化剤オフガス流路から前記酸化剤ガス流路へ水分を移動させる加湿器と、
前記酸化剤オフガス流路に配置され前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁と、
前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出した温度情報に基づいて前記酸化剤ポンプと前記背圧弁とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記温度センサで検出される前記燃料電池の冷却水温度と前記加湿器の入口ガス温度とから加湿状態値を繰り返し求め、
前記燃料電池の負荷状態に応じて設定した乾燥判定値を、前記繰り返しの都度、前回設定した値に加算して設定し、
前記加湿状態値が前記乾燥判定値よりも小さいときに燃料電池内が加湿不足と判定し、前記酸化剤ポンプの出力を増加させることなく、前記背圧弁の開度を小さくして酸化剤ガスの圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
酸化剤ガスと燃料ガスとを供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池への酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスを流通させる酸化剤オフガス流路と、
前記酸化剤ガス流路に配置され前記燃料電池へ酸化剤ガスを送り込む酸化剤ポンプと、
前記酸化剤オフガス流路から前記酸化剤ガス流路へ水分を移動させる加湿器と、
前記酸化剤オフガス流路に配置され前記燃料電池での酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁と、
前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出した温度情報に基づいて前記酸化剤ポンプと前記背圧弁とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記温度センサで検出される前記燃料電池の冷却水温度と前記加湿器の入口ガス温度とから加湿状態値を繰り返し求め、
前記燃料電池の負荷状態に応じて設定した乾燥判定値を、前記繰り返しの都度、前回設定した値に加算して設定し、
前記加湿状態値が前記乾燥判定値よりも小さいときに燃料電池内が加湿不足と判定し、前記酸化剤ポンプの出力を低下させて酸化剤ガス供給量を低下させるとともに、前記背圧弁の開度を小さくして酸化剤ガスの圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。