JP2006127788A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの運転時における電解質膜の乾湿履歴に伴う電解質膜の劣化は抑制する燃料電池システムの制御方法を提供する。
【解決手段】電解質膜２とこの電解質膜２の両面を挟持する水素極３及び空気極４とを有する単位セルを積層した燃料電池スタック１を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタック１が通常の発電状態から燃料電池スタック１から取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視し、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、通常の発電状態よりも高い加湿状態のガス又は水を、水素極３及び空気極４の少なくとも一方に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムの制御方法に関し、特に、電解質膜の乾燥を防止する制御方法に関する。

従来から、燃料電池システムの運転停止中における電解質膜の乾燥を防止して、電解質膜の特性の劣化を抑える技術が盛んに研究されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池スタックの空気極へ空気を供給する空気供給ライン及び空気極から空気を排出する空気排出ラインに、燃料電池システムの停止時に空気の流通を閉止する手段を備えることにより、燃料電池システムの運転停止中に固体高分子電解質膜の乾燥を防止している。
特開２００２−２１６８２３号公報

しかし、特許文献１に開示された技術は、燃料電池システムの運転を停止した場合の電解質膜の乾燥に対するものであって、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時については言及されていない。よって、燃料電池システムの運転時において負荷の変動が起きた場合、電解質膜に乾湿履歴が加わることにより、定格運転よりも電解質膜の劣化が進行してしまい、燃料電池の寿命が短くなるおそれがある。

本発明の第１の特徴は、電解質膜とこの電解質膜の両面を挟持する燃料極及び酸化剤極とを有する単位セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックが通常の発電状態から燃料電池スタックから取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視し、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、通常の発電状態よりも高い加湿状態のガス又は水を、燃料極及び酸化剤極の少なくとも一方に供給することを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、電解質膜とこの電解質膜の両面を挟持する燃料極及び酸化剤極とを有する単位セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックが通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視し、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、通常のアイドリング状態又は無負荷状態よりも燃料電池スタックの温度を低くすることを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池システムの運転時における電解質膜の乾湿履歴に伴う電解質膜の劣化を抑制する燃料電池システムの制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１へ供給される燃料ガスとしての水素ガスを高圧状態で貯蔵する水素ボンベ８と、水素ボンベ８から供給される水素ガスの圧力及び流量を制御する可変弁９と、可変弁９を通過した水素ガスと燃料電池スタック１から排出された未反応の水素ガス（排水素ガス）とを混合して燃料電池スタック１の水素導入口へ供給するイジェクタ１０と、燃料電池スタック１の水素ガスの排出口とイジェクタ１０とを繋ぐ水素循環流路と、燃料電池スタック１の水素ガスの排出口に接続されたパージ弁１２と、燃料電池スタック１へ供給される酸化剤ガスとしての空気を圧縮して燃料電池スタック１の空気導入口へ供給するコンプレッサ６と、燃料電池スタック１の空気の排出口に接続された空気の流量/圧力制御弁としてのスロットル弁１１と、燃料電池スタック１へ供給される空気及び水素ガスを加湿する加湿器７と、加湿器７へ供給する純水の流量を制御する純水流量計１８と、燃料電池スタック１の水素導入口での水素ガスの流量を検出する水素流量センサＦ１と、燃料電池スタック１の空気導入口での空気の流量を検出する空気流量センサＦ２と、燃料電池スタック１の水素導入口での水素ガスの湿度を検出する水素湿度センサＨ１と、燃料電池スタック１の空気導入口での空気の湿度を検出する空気湿度センサＨ２と、燃料電池スタック１から取り出される負荷を検知する負荷検知部２０と、燃料電池スタック１を循環する冷却水を冷却するラジエータ部１７と、冷却水を循環させる冷却水ポンプ１６と、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ１３と、燃料電池スタック１内の電解質膜２の電気抵抗値を検出する抵抗センサ１４と、燃料電池スタック１を所定の温度に保つ保温部１５と、各センサの信号及び負荷検知部２０の出力信号を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて、純水流量計１８、保温部１５、冷却水ポンプ１６、ラジエータ部１７などを制御するコントローラ２１とを有する。

燃料電池スタック１は、電解質膜２と電解質膜２の両面を挟持する水素極３及び空気極４と、冷却水が流通する冷却部（クーラント）５とを有する単位セルを積層してなる。燃料電池スタック１の水素極３及び空気極４には、負荷検知部２０を介して駆動モータ等の電気的な負荷１９が接続されている。水素極３に水素ガスが供給され、空気極４に空気が供給され、燃料電池スタック１は、水素ガスと空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する。

コンプレッサ６では空気が圧縮されて加湿器７へ送られ、加湿器７では純水流量計１８により流量が制御された純水によって空気が加湿され、加湿された空気が燃料電池スタック１へ送り込まれる。水素系では可変弁９で水素ガスの流量を制御して、燃料電池スタック１の水素極３内の圧力を所望の値とする、また、イジェクタ１０で排水素ガスの還流と合流し、加湿器７へ送られる。加湿器７では空気と同様に純水流量計１８により流量が制御された純水によって水素ガスが加湿され、加湿された水素ガスが燃料電池スタック１へ送り込まれる。燃料電池スタック１の水素極３及び空気極４では送り込まれた空気と水素ガスを電解質膜２を介して反応させて発電を行い、電流（電力）を駆動モータなどの外部負荷へ供給する。負荷検知部２０は、このときの電流（電力）を検出する。燃料電池スタック１で反応に使用した残りの空気はスロットル弁１１を介して燃料電池スタック１外へ排出される。スロットル弁１１では空気の圧力制御が行われる。また、反応に使用した残りの水素ガスは燃料電池スタック１外へ排出されるが、イジェクタ１０によって加湿器７上流へ還流されて発電に再利用される。

水素湿度センサＨ１が検出する燃料電池スタック１の水素導入口での水素ガスの湿度、空気湿度センサＨ２が検出する燃料電池スタック１の空気導入口での空気の湿度、水素流量センサＦ１が検出する水素導入口での水素ガスの流量、及び空気流量センサＦ２が検出する空気導入口での空気の流量はコントローラ２１へ読み込まれる。コントローラ２１では、読み込んだ各値がそのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように、純水流量計１８、スロットル弁１１及び可変弁９を制御する。

コントローラ２１は、温度センサ１３が検出する燃料電池スタック１の温度が基準値よりも高い場合、冷却水ポンプ１６及びラジエータ部１７を動作させて、冷却水を循環させて燃料電池スタック１の温度を下げる。逆に、温度センサ１３が検出する燃料電池スタック１の温度が基準値よりも低い場合、コントローラ２１は、保温部１５を動作させて燃料電池スタック１の温度を高い状態に保つ。

図２を参照して、燃料電池スタックへの負荷の変動に伴う、一般的な各物理量の変化を示すグラフである。ここでは、各物理量として、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の流量、水素ガス及び空気の湿度、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図２に示す物理量の変化は、本発明の第１の実施の形態に対する比較例を示す。

燃料電池スタック１が通常の発電状態から燃料電池スタック１から取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行すると、負荷検知部２０が検出する負荷が低下する。これに伴い、水素ガス及び空気の流量が低下し、燃料電池スタック１の温度が低下する。また、生成水が少なくなることで、電解質膜２の抵抗は高くなる。

図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（イ）Ｓ０１段階において、燃料電池スタック１が通常の発電状態から燃料電池スタック１から取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視する。例えば、負荷検知部２０が検知する電流量が、アイドリング状態又は無負荷状態における電流量（例えば１０Ａ又は０Ａ）になるか否かを監視する。

（ロ）Ｓ０２段階において、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、通常の発電状態よりも高い加湿状態の水素ガス及び空気を、水素極３及び空気極４の双方に供給する。具体的には、コントローラ２１は、純水流量計１８を操作して通常の発電状態よりも多い水を水素ガス及び空気に供給して、高加湿状態の水素ガス及び空気を生成する。なお、高加湿状態の水素ガス及び空気は、連続的或いは間欠的に供給しても構わない。

図４を参照して、図３の制御方法における、負荷、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の流量、水素ガス及び空気の湿度、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図４中の点線は、図２（比較例）での同物理量の変化を示す。

燃料電池スタック１が通常の発電状態から燃料電池スタック１から取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態へ移行すると、負荷検知部２０が検出する負荷電流が１０[Ａ]まで低下する。これに伴い、Ｓ０２段階において高加湿状態の水素ガス及び空気が生成されるので、水素湿度センサＨ１及び空気湿度センサＨ２により検出される水素ガス及び空気の湿度は通常の発電状態における湿度よりも高くなる。これと同時に、可変弁９及びスロットル弁１１等を操作して、水素流量センサＦ１及び空気流量センサＦ２が検出する水素ガス及び空気の流量も通常のアイドリング状態より多くする。これにより、電解質膜２も加湿されて抵抗値が下がる。なお、燃料電池スタック１の温度は若干上昇する。

このように、通常の発電状態からアイドリング又は無負荷状態へ移行する際、燃料電池スタック１における水の生成が少ない又は無いこと、電解質膜２から流路内の残留ガスへの水の蒸発などにより電解質膜２の乾燥が進行するが、通常の発電時よりも高い加湿状態の水素ガス及び空気を導入することにより、電解質膜２の乾燥を防ぎ、長期にわたり安定して作動可能な燃料電池システムを提供することができる。

換言すれば、燃料電池システムへ最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時に水素極及び空気極に通常運転時よりも高加湿のガスを供給することにより、アイドリング時又は無負荷時の電解質膜２からの水の蒸発を抑制し、電解質膜２に乾湿履歴が加わるのを防止する。よって電解質膜２の劣化の少ない高耐久の燃料電池を得ることが可能となる。

（第２の実施の形態）
図５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（イ）Ｓ１１段階において、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視する。例えば、負荷検知部２０が検知する電流量が、アイドリング状態又は無負荷状態における電流量（例えば１０Ａ又は０Ａ）になるか否かを監視する。

（ロ）Ｓ１２段階において、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、通常のアイドリング状態又は無負荷状態よりも燃料電池スタック１の温度を低くする。具体的には、コントローラ２１は、冷却水ポンプ１６又はラジエータ部１７を操作して通常の発電状態よりも多い冷却水を循環させ、或いは保温部１５の運転を一時的に停止する。

図６を参照して、図５の制御方法における、負荷、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の流量、水素ガス及び空気の湿度、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図６中の点線は、図２（比較例）での同物理量の変化を示す。

燃料電池スタック１が通常の発電状態から燃料電池スタック１から取り出される負荷が零となる無負荷状態へ移行すると、負荷検知部２０が検出する負荷電流が０[Ａ]まで低下する。これに伴い、Ｓ１２段階において燃料電池スタック１の温度が通常の無負荷状態よりも低くなる。これと同時に、水素湿度センサＨ１及び空気湿度センサＨ２により検出される水素ガス及び空気の湿度は通常の無負荷状態における湿度よりも高くなる。これにより、抵抗センサ１４が検出する電解質膜２の抵抗値が図２に比して低くなる。

このように、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時において燃費効率を上げるために水素ガス及び空気を流さない場合、燃料電池スタック１で水の生成が無いこと及び電解質膜２からガス流路内の残留ガスへ水が蒸発すること等により電解質膜２の乾燥が進む。しかし、本発明の第２の実施の形態によれば、燃料電池スタック１がアイドリング状態又は無負荷状態になったときに冷却水の流量を増加させ、又は保温部１５の運転を一時的に停止する等の制御を行うことにより、燃料電池スタック１の温度を下げ、燃料電池スタック１のガス流路内の残存ガスへ電解質膜２から蒸発する水の量を低下させる。これにより電解質膜２の乾燥を抑制し、長期にわたり安定して作動可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第２の実施の形態によれば、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時に発電時よりもスタックの温度を下げることにより、上記アイドリング時又は無負荷時の電解質膜２からの水の蒸発を抑制し、該電解質膜に乾湿履歴が加わるのを防止する。よって電解質膜の劣化の少ない高耐久の燃料電池を得ることが可能となる。

（第３の実施の形態）
図７を参照して、本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。図７に示す制御方法は、図３に示す第１の実施の形態に係わる制御方法の応用例を示す。

（イ）Ｓ２１段階において、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視する。例えば、負荷検知部２０が検知する電流量が、アイドリング状態又は無負荷状態における電流量（例えば１０Ａ又は０Ａ）になるか否かを監視する。

（ロ）Ｓ２２段階において、抵抗センサ１４を用いて電解質膜２の抵抗値を検出する。Ｓ２３段階において、抵抗センサ１４が検出した電解質膜２の抵抗値が所定の基準値を上回っているか否かを判断する。電解質膜２の抵抗値が所定の基準値を上回っている場合（Ｓ２３段階においてＹＥＳ）Ｓ２４段階に進む。一方、電解質膜２の抵抗値が所定の基準値を上回っていない場合（Ｓ２３段階においてＮＯ）Ｓ２２段階に戻る。

（ハ）Ｓ２４段階において、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、電解質膜２の抵抗値が所定の値を上回った時に限り、水を水素極３及び空気極４の双方に供給する。具体的には、コントローラ２１は、純水流量計１８を操作して通常の発電状態よりも多い水を水素ガス及び空気に供給して、水を直接燃料電池スタック１へ供給する。なお、水は、連続的或いは間欠的に供給しても構わない。

図８を参照して、図７の制御方法における、負荷、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の湿度、水素極３及び空気極４内での水供給量、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図８中の点線は、図２（比較例）での同物理量の変化を示す。

燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態へ移行すると、負荷検知部２０が検出する負荷電流が１０[Ａ]まで低下する。これに伴い、電解質膜２の乾燥が進行してその抵抗値も徐々に上昇してくる。電解質膜２の抵抗値が所定の設定値に達した時、一時的に水を水素極３及び空気極４の双方に供給する。これにより、水素湿度センサＨ１及び空気湿度センサＨ２により検出される水素ガス及び空気の湿度は通常のアイドリング状態における湿度よりも高くなり、電解質膜２も加湿されて抵抗値が下がる。なお、燃料電池スタック１の温度は若干上昇する。

このように、第１の実施の形態と同様に、通常の発電状態からアイドリング又は無負荷状態へ移行する際、燃料電池スタック１における水の生成が少ない又は無いこと、電解質膜２から流路内の残留ガスへの水の蒸発などにより電解質膜２の乾燥が進行するが、水を水素極３及び空気極４の双方へ導入することにより、電解質膜２の乾燥を防ぎ、長期にわたり安定して作動可能な燃料電池システムを提供することができる。

更に、電解質膜２の抵抗値が所定の設定値を上回ったときに限り水を供給することにより、水の過剰供給に伴う発電再開時のフラッディングを防止することができる。

（第４の実施の形態）
図９を参照して、本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。図９に示す制御方法は、図３に示す第１の実施の形態に係わる制御方法の応用例を示す。

（イ）Ｓ３１段階において、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを予測する。具体的には、燃料電池スタック１から取り出される負荷又は負荷の変化率が所定の基準値に達したか否かを監視する。負荷又は負荷の変化率が所定の基準値に達した場合（Ｓ３１段階においてＹＥＳ）Ｓ３２段階に進む。

（ロ）Ｓ３２段階において、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行することが予測されるため、通常の発電状態よりも高い加湿状態の水素ガス及び空気を、水素極３及び空気極４の双方に供給する。具体的には、コントローラ２１は、純水流量計１８を操作して通常の発電状態よりも多い水を水素ガス及び空気に供給して、高加湿状態の水素ガス及び空気を生成する。なお、高加湿状態の水素ガス及び空気は、連続的或いは間欠的に供給しても構わない。

図１０を参照して、図９の制御方法における、負荷、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図１０中の点線は、図２（比較例）での同物理量の変化を示す。

燃料電池スタック１から取り出される負荷が所定の設定値に達したことにより、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行することを予測する。これに伴い、Ｓ３２段階において高加湿状態の水素ガス及び空気が生成されているので、水素湿度センサＨ１及び空気湿度センサＨ２により検出される水素ガス及び空気の湿度は通常の発電状態における湿度よりも高くなる。これと同時に、可変弁９及びスロットル弁１１等を操作して、水素流量センサＦ１及び空気流量センサＦ２が検出する水素ガス及び空気の流量も通常の発電状態における湿度よりも一時的に多くする。これにより、電解質膜２も加湿されて抵抗値が下がる。なお、燃料電池スタック１の温度は若干上昇する。

このように、通常の発電状態からアイドリング又は無負荷状態へ移行することが予測される際、燃料電池スタック１における水の生成が少ない又は無いこと、電解質膜２から流路内の残留ガスへの水の蒸発などにより電解質膜２の乾燥が進行するが、通常の発電時よりも高い加湿状態の水素ガス及び空気を導入することにより、電解質膜２の乾燥を防ぎ、長期にわたり安定して作動可能な燃料電池システムを提供することができる。

また、電解質膜２の乾燥はとりわけ無負荷時に進行するため、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時に移行すると予想される負荷値になったら前もって燃料電池スタック１に対して水分を供給する。よって上記アイドリング時又は無負荷時の電解質膜２の乾燥を未然に防止することが可能となる。

なお、第４の実施の形態に係わる制御方法と第３の実施の形態に係わる制御方法を組み合わせて実施しても構わない。

（第５の実施の形態）
図１１を参照して、本発明の第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。図１１に示す制御方法は、図５に示す第２の実施の形態に係わる制御方法の応用例を示す。

（イ）Ｓ４１段階において、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視する。例えば、負荷検知部２０が検知する電流量が、アイドリング状態又は無負荷状態における電流量（例えば１０Ａ又は０Ａ）になるか否かを監視する。

（ロ）Ｓ４２段階において、抵抗センサ１４を用いて電解質膜２の抵抗値を検出する。Ｓ４３段階において、抵抗センサ１４が検出した電解質膜２の抵抗値が所定の基準値を上回っているか否かを判断する。電解質膜２の抵抗値が所定の基準値を上回っている場合（Ｓ４３段階においてＹＥＳ）Ｓ４４段階に進む。一方、電解質膜２の抵抗値が所定の基準値を上回っていない場合（Ｓ４３段階においてＮＯ）Ｓ４２段階に戻る。

（ハ）Ｓ４４段階において、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行する際、通常のアイドリング状態又は無負荷状態よりも燃料電池スタック１の温度を低くする。具体的には、コントローラ２１は、冷却水ポンプ１６又はラジエータ部１７を操作して通常の発電状態よりも多い冷却水を循環させ、或いは保温部１５の運転を一時的に停止する。

図１２を参照して、図１１の制御方法における、負荷、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の流量、水素ガス及び空気の湿度、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図１２中の点線は、図２（比較例）での同物理量の変化を示す。

燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行すると、負荷検知部２０が検出する負荷電流が１０又は０[Ａ]まで低下する。これに伴い、電解質膜２の乾燥が進行してその抵抗値も徐々に上昇してくる。電解質膜２の抵抗値が所定の設定値に達した時、Ｓ４４段階において燃料電池スタック１の温度が通常の無負荷状態よりも低くなる。これと同時に、水素湿度センサＨ１及び空気湿度センサＨ２により検出される水素ガス及び空気の湿度は通常の無負荷状態における湿度よりも高くなる。これにより、抵抗センサ１４が検出する電解質膜２の抵抗値が図２に比して低くなる。

このように、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時において燃費効率を上げるために水素ガス及び空気を流さない場合、燃料電池スタック１で水の生成が無いこと及び電解質膜２からガス流路内の残留ガスへ水が蒸発すること等により電解質膜２の乾燥が進む。しかし、本発明の第５の実施の形態によれば、燃料電池スタック１がアイドリング状態又は無負荷状態になったときに冷却水の流量を増加させ、又は保温部１５の運転を一時的に停止する等の制御を行うことにより、燃料電池スタック１の温度を下げ、燃料電池スタック１のガス流路内の残存ガスへ電解質膜２から蒸発する水の量を低下させる。これにより電解質膜２の乾燥を抑制し、長期にわたり安定して作動可能な燃料電池システムを提供することができる。

更に、燃料電池スタック１がアイドリング状態となり、電解質膜２の抵抗値が所定の値を上回ったときに限り、燃料電池スタック１の温度を低下させる。これにより、燃料電池スタック１の過剰冷却に伴うシステム効率の低下及び発電再開時のフラッディングを防止することができる。

（第６の実施の形態）
図１３を参照して、本発明の第６の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。図１３に示す制御方法は、図５に示す第２の実施の形態に係わる制御方法の応用例を示す。

（イ）Ｓ５１段階において、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを予測する。具体的には、燃料電池スタック１から取り出される負荷又は負荷の変化率が所定の基準値に達したか否かを監視する。負荷又は負荷の変化率が所定の基準値に達した場合（Ｓ５１段階においてＹＥＳ）Ｓ５２段階に進む。

（ロ）Ｓ５２段階において、アイドリング状態又は無負荷状態へ移行することが予測される際、通常のアイドリング状態又は無負荷状態よりも燃料電池スタック１の温度を低くする。具体的には、コントローラ２１は、冷却水ポンプ１６又はラジエータ部１７を操作して通常の発電状態よりも多い冷却水を循環させ、或いは保温部１５の運転を一時的に停止する。

図１４を参照して、図１３の制御方法における、負荷、電解質膜２の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタック１の温度の変化を示す。図１４中の点線は、図２（比較例）での同物理量の変化を示す。

燃料電池スタック１から取り出される負荷が所定の設定値に達したことにより、燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行することを予測する。これに伴い、Ｓ５２段階において通常のアイドリング状態又は無負荷状態よりも燃料電池スタック１の温度が低くなる。これと同時に、水素湿度センサＨ１及び空気湿度センサＨ２により検出される水素ガス及び空気の湿度は通常の無負荷状態における湿度よりも高くなる。これにより、抵抗センサ１４が検出する電解質膜２の抵抗値が図２に比して低くなる。

このように、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時において燃費効率を上げるために水素ガス及び空気を流さない場合、燃料電池スタック１で水の生成が無いこと及び電解質膜２からガス流路内の残留ガスへ水が蒸発すること等により電解質膜２の乾燥が進む。しかし、本発明の第６の実施の形態によれば、燃料電池スタック１がアイドリング状態又は無負荷状態になることが予想されるときに冷却水の流量を増加させ、又は保温部１５の運転を一時的に停止する等の制御を行うことにより、燃料電池スタック１の温度を下げ、燃料電池スタック１のガス流路内の残存ガスへ電解質膜２から蒸発する水の量を低下させる。これにより電解質膜２の乾燥を抑制し、長期にわたり安定して作動可能な燃料電池システムを提供することができる。

更に、アイドリング状態又は無負荷状態への移行を予測することにより、未然に電解質膜２の乾燥を抑制することができる。電解質膜２の乾燥は無負荷時にとりわけ進行するため、燃料電池システムへの最小電力を供給するようなアイドリング時又は無負荷時に移行すると予想される負荷値になったら前もって燃料電池スタック１の温度を下げる。よって上記アイドリング時又は無負荷時の電解質膜２の乾燥を未然に防止することが可能となる。

（第７の実施の形態）
第７の実施の形態に係わる制御方法は、図３に示した制御方法の応用例であり、図３のＳ０２段階において、水素ガスのみを高加湿状態とし、空気は通常の制御を行う。その他の点は、図３のフローチャートと同じであり、図示及び説明を省略する。

燃料電池スタック１が通常の発電状態からアイドリング状態又は無負荷状態へ移行すると、負荷検知部２０が検出する負荷電流が１０又は０[Ａ]まで低下する。これに伴い、高加湿状態の水素ガスが生成されるので、水素湿度センサＨ１により検出される水素ガスの湿度は通常の発電状態における湿度よりも高くなる。これと同時に、可変弁９を操作して、水素流量センサＦ１が検出する水素ガスの流量も通常のアイドリング状態より多くする。これにより、電解質膜２も加湿されて抵抗値が下がる。なお、空気の湿度及び流量は図２と同じである。また、燃料電池スタック１の温度は若干上昇する。

このように、電解質膜２の乾燥を抑制することができ、同時に空気極のフラッディングを抑制することができるため、再発電時にフラッディングによる電圧低下の少ない運転が可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第７の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。 燃料電池スタックへの負荷の変動に伴う、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図３の制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図５の制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図７の制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の湿度及び水供給量、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図９の制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 本発明の第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図１１の制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 本発明の第６の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図１３の制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。 第７の実施の形態に係わる制御方法における、負荷、電解質膜の抵抗、水素ガス及び空気の流量及び湿度、燃料電池スタックの温度の変化を示すグラフである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…電解質膜
３…水素極
４…空気極
６…コンプレッサ
７…加湿器
８…水素ボンベ
９…可変弁
１０…イジェクタ
１１…スロットル弁
１２…パージ弁
１３…温度センサ
１４…抵抗センサ
１５…保温部
１６…冷却水ポンプ
１７…ラジエータ部
１８…純水流量計
１９…負荷
２０…負荷検知部
２１…コントローラ
Ｆ１…水素流量センサ
Ｆ２…空気流量センサ
Ｈ１…水素湿度センサ
Ｈ２…空気湿度センサ

Claims (7)

1. 電解質膜と前記電解質膜の両面を挟持する燃料極及び酸化剤極とを有する単位セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池スタックが通常の発電状態から前記燃料電池スタックから取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視し、
   前記アイドリング状態又は前記無負荷状態へ移行する際、前記通常の発電状態よりも高い加湿状態のガス又は水を、前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方に供給する
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 電解質膜と前記電解質膜の両面を挟持する燃料極及び酸化剤極とを有する単位セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池スタックが通常の発電状態から前記燃料電池スタックから取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視し、
   前記アイドリング状態又は前記無負荷状態へ移行する際、通常の前記アイドリング状態又は無負荷状態よりも前記燃料電池スタックの温度を低くする
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 前記電解質膜の電気抵抗値を測定し、
   前記電気抵抗値が所定値以上である時に、前記通常の発電状態よりも高い加湿状態のガス又は水を、前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方に供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御方法。
4. 前記燃料電池スタックが通常の発電状態から前記燃料電池スタックから取り出される負荷が最も小さくなるアイドリング状態又は無負荷状態へ移行するか否かを監視することは、
   前記負荷又は前記負荷の変化率が所定の基準値に達したか否かを監視することであることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システムの制御方法。
5. 通常の前記アイドリング状態又は無負荷状態よりも前記燃料電池スタックの温度を低くすることは、
   前記電解質膜の電気抵抗値を測定し、
   前記電解質膜の電気抵抗値が所定の範囲内に収まるように、前記燃料電池スタックの温度を下げることである
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御方法。
6. 前記アイドリング状態又は前記無負荷状態へ移行する際、前記通常の発電状態よりも高い加湿状態のガス又は水を、前記燃料極にのみ供給することを特徴とする請求項１、３又は４何れか１項記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 通常の前記アイドリング状態又は無負荷状態よりも前記燃料電池スタックの温度を低くすることは、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水の流量を増加させること、或いは前記燃料電池スタックを一定の温度に保持する保温部の運転を一時的に停止することであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御方法。

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