JP2007194177A - 燃料電池システム及び燃料電池の加湿状態判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの加湿状態を精度良く判定する方法を提供する。
【解決手段】水素と酸素の電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池スタック１において、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差を演算し（１５）、電圧差を第1の所定値と比較した結果が所定値より小さい場合、酸化剤ガスの流量を増加させる（１７）。酸化剤ガスの流量を増加させた後、更に最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差を第２の所定値と比較する（１６）。電圧差が第２の所定値以下の場合、燃料電池スタック１は加湿不足であると判定し、電圧差が第２の所定値より大きい場合、燃料電池スタック１は加湿過剰もしくは酸素不足であると判定する（１８）。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の加湿状態を判定する方法に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、ガスの供給不足、流路における液滴の滞留による発電不良や電解質の乾燥による導電率低下によって、電池の出力が低下する。このような条件下で燃料電池を運転した場合、電池の劣化が加速される問題があった。従って、燃料電池の加湿状態を判定する事は、以上の問題を解決する上で重要である。特許文献１では、加湿状態の判定方法として、平均セル電圧が、第1の所定範囲以内にあり、且つ、出力電圧が第2所定範囲を外れたセルブロックが存在した場合には、加湿過剰と推定し、平均セル電圧が第1所定範囲を外れ、電圧バラツキが第3所定値以内であるとき加湿不足と推定し、電圧バラツキが第3所定値を外れるときは燃料ガス不足と推定する技術が公開されている。

また、特許文献２では、単電池電圧低下が発生した積層位置を判定し、積層位置がスタックの端部付近であればスタックの状態を加湿過剰と判定し、中央部付近であれば、加湿不足であると判定する技術が公開されている。

特許文献３では、単セルまたは、複数の単セルを含むセルブロック電圧の経時変化パターンをあらかじめ記憶装置に記憶させておき、単セルまたはセルブロック毎の電圧の経時変化パターンを測定し、得られた電圧パターンと記憶させたパターンとを比較して加湿状態を判定する方法が公開されている。

特許文献４では、複数単セルの各単セル電圧を計測し、湿潤状態、あるいは、負荷に影響する因子が変化した際の最小単セル電圧が第1判定値を超えたら湿潤と判定し、さらに湿潤に影響する因子が変化時あるいは変化終了後に、第2の判定値よりも低下したら判定の結果を有効にするとされている。
特開２００４−１２７９１５ 特開２００２−１８４４３８ 特開平９−２４５８２６ 特開２００５−２２８６８８

しかし、特許文献１では、セル内流路に水が溜まり(加湿過剰)、ガスの分布にばらつきが発生することで、セルの電圧が低下する場合と、セル内部が乾燥し(加湿不足)、電解質膜が乾燥することで反応効率が低下しセル出力が低下する場合を区別できない。したがって、加湿過剰と判定しても実際には加湿不足となっている事もあり、誤判定する問題がある。さらに、出力電圧の経時変化を非振動成分と、振動成分に分解して運転状態を判断する方法が記されているが、実際の燃料電池スタック運転状態は、自動車の運転される状況によって時々刻々と変化する為、電圧の振動成分と、負荷変動による電圧変化を分離するのは困難である。

また、特許文献２では、スタック端部はセルの温度が低く水分が蒸発しにくい為加湿過剰であり、スタックの中央部はセルの温度が高く水分が蒸発し易い為加湿不足であるように、電圧低下を起こしたセルの位置で加湿状態を判断している。しかし、実際にはスタック端部でも加湿不足である場合や、スタック中央部でも加湿過剰となる場合があり、加湿状態はセルの積層位置に寄らない為誤判定をする。

また、特許文献３では、運転パターン毎にセル電圧の経時変化を記憶する必要があるが、すべての運転パターンを網羅することはできない。

特許文献４では、最小単セル電圧で湿潤状態を判定するため、負荷電流の変動が大きい場合は、電圧変動が大きくなる為判定できない。

本発明の特徴は、水素と酸素の電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成する複数の単セルの平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差を所定値と比較した結果に基づき、酸化剤ガスの流量を変更し、流量変更後の平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差の変化から、燃料電池スタックの加湿状態（加湿過剰、加湿不足、酸素不足）を判定することを特徴とする。

本発明によれば、加湿状態異常によりセル電圧が低下した場合、酸化剤ガスの流量を変更し、流量変更後の最低セル電圧と平均セル電圧の電圧差を所定値と比較することで、セル電圧低下の原因が、加湿不足、加湿過剰または、酸素不足の内どの状態なのか従来技術より正確に判定することができる。

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実施形態）
図1を参照して、本発明の実施形態に係わる燃料電池システムを説明する。本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の陽極側に接続された燃料ガス（水素）流路３と、燃料ガス流路３に接続された水素タンク１２と、燃料電池スタック１の陰極側に接続された酸化剤ガス（空気）流路４と、酸化剤ガス流路４に接続されたコンプレッサ１１および酸化剤ガス流量調整手段５と、燃料電池スタックに接続された電気負荷６と、制御部１０とを備える。

燃料電池スタック１は、複数の単セル２から構成される複数のセルブロック７が電気的に直列に接続されている。単セル２は電解質である固体電解質膜を陽極（アノード）と陰極（カソード）で狭持した1対の電極からなる。また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電電圧（以下燃料電池総電圧）を測定する第１電圧センサ８と、複数のセルブロック７（１）〜７（ｎ）の電圧Ｖ_CＢ（１）〜Ｖ_CＢ（ｎ）をそれぞれ測定する複数の第２電圧センサ９（１）〜９（ｎ）とを更に備える。ここで、定数ｎの値は、燃料電池スタック１に含まれるセルブロック７の数に相当し、本実施形態では例えば５０とする。

水素タンク１２は、燃料電池スタック１より上流で燃料ガス流路３に接続され、燃料電池スタック１に供給する水素を高圧で貯蔵する。水素タンク１２が貯蔵する水素ガスは、水素圧力調整弁１３（不図示）によって、燃料電池スタック１に要求される水素圧力まで減圧させる。

コンプレッサ１１は、燃料電池スタック１よりも上流で酸化剤ガス流路４に接続され、空気を圧縮し酸化剤ガス流路４に空気を供給する。

酸化剤ガス流量調整手段５は、燃料電池スタック１よりも下流で酸化剤ガス流路４に接続され、制御部１０の指令に従って酸化剤ガスの流量を変化させる。酸化剤ガス流量調整手段５として、例えば、開度を調整することにより気体流量を制御できる弁（スロットル）を用いることができる。

制御部１０は、第１電圧センサ８および第２電圧センサ９からの電圧信号を受信する。そして、演算結果に基づいて酸化剤ガス流量調整手段５に制御信号を出力する。また、制御部１０は、平均セル電圧算出部１３と、最低セル電圧算出部１４と、電圧差算出部１５と、電圧差比較部１６と、酸化剤ガス流量司令部１７、加湿状態判定部１８とを備える。

次に、上記構成の燃料電池システムの動作、即ち本発明の実施の形態に関わる燃料電池加湿状態判定方法を、図２のフローチャートを用いて説明する。

先ず、Ｓ０１において、第1電圧センサ８よって燃料電池総電圧Ｖ_Tを、各第２電圧センサ９（１）〜９（ｎ）によって、各セルブロック電圧Ｖ_CＢ（１）〜Ｖ_C（ｎ）を検出する。

次にＳ０２において、平均セル電圧算出部１３は、（１）式に示すように、燃料電池総電圧Ｖ_Tを燃料電池スタックを構成するセルの総数（以下総セル数Ｎ）で除することにより平均セル電圧Ｖ_Aを求める。また、最低セル電圧算出部１４は、セルブロック７を構成するセル数をｎ’として、セルブロック電圧Ｖ_CＢと平均セル電圧Ｖ_Aを用い、セルブロック７（１）〜７（ｎ）毎に（２）式で表すセル電圧Ｖ_ｃ（１）〜Ｖ_ｃ（ｎ）を演算し、演算結果Ｖ_ｃ（１）〜Ｖ_ｃ（ｎ）のうち最低値を最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎとする。

平均セル電圧（Ｖ_A）＝Ｖ_T／Ｎ・・・（１）
セル電圧Ｖ_ｃ（ｎ）＝Ｖ_CB（ｎ）−（ｎ’−１）×Ｖ_A・・・（２）
（ハ）Ｓ０３において、電圧差算出部１５が、Ｓ０２で求めた平均セル電圧Ｖ_Aと最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎの差を演算する。Ｓ０４で、電圧差比較部１６が、Ｓ０３で算出した最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第１の所定値とを比較する。ここで、前記電圧差は、常に負の値となる為前記第１の所定値および以下の各所定値は負の値として設定する。最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値以上の場合（Ｓ０４にてＮＯ）、Ｓ０５に進み酸化剤ガスの流量を維持して運転を継続する。

（ニ）一方、Ｓ０４において、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値より小さくなった場合（Ｓ０４にてＹＥＳ）、Ｓ０６に進み、酸化剤ガス流量司令部１７が、酸化剤ガスの流量を増加するよう酸化剤ガス流量調整手段に制御信号を送信する。

（ホ）Ｓ０６で酸化剤ガスの流量を増加させた後、Ｓ０７では、電圧差比較部１６が、更に最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第１の所定値以下である第２の所定値とを比較する。最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第２の所定値より大きい場合（Ｓ０７にてＮＯ）、Ｓ０９に進み、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿不足状態にする動作である酸化剤ガスの流量を増加させることで、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎが平均セル電圧Ｖ_Aに回復することから加湿状態判定部１８が、燃料電池スタック１は加湿不足以外の状態である加湿過剰状態もしくは、酸素不足状態であると判定する。

（ヘ）一方、Ｓ０７で電圧を比較した結果、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が酸化剤ガスの流量を増加させる事で更に電圧差が低下し第２の所定値以下となった場合（Ｓ０７にてＹＥＳ）、Ｓ０８に進み、加湿状態判定部１８が、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿不足状態にする動作である酸化剤ガスの流量を増加させることで、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎが平均セル電圧Ｖ_Aに回復しないことから燃料電池スタック１は加湿不足であると判定する。

本発明における第１の所定値は、燃料電池が適正な運転状態にあるときに取りうる、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差の最低値より小さい値に設定すれば良いし、各セルのばらつきを考慮して設定すれば更に良い。

また、燃料電池スタック１が加湿不足になると、セル電圧は第1の所定値から更に低下し、ある加湿不足状態で急激な電圧降下を起こす。従って、急激な電圧降下が生じる前の最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差を実験によって求めておき、その実験値より大きい値を第２の所定値としておく事が好ましい。例えば、第２の所定値として、−０．２Ｖ〜−０．３Ｖを設定することが好ましい。また、本発明において、第１の所定値と第２の所定値は、同じ値であっても良い。

本実施形態によると、酸化剤ガスの流量を増加させた後、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と所定値とを比較することで、燃料電池スタックが加湿不足である場合を誤判定せず判定できる。

ところで、特許文献１では、出力電圧の経時変化を非振動成分と、振動成分に分解して運転状態を判断する方法が記されている。実際に加湿過剰、酸素不足の状態になった場合の単セル電圧の振動を発明者が測定した結果を図３に示す。また、図３の中で、単セルの加湿状態に異常がない（安定状態）時刻Ａ_１の電圧の拡大図を図４に、加湿過剰状態になった時刻Ｂ_１の電圧の拡大図を図５に、酸素不足状態になった時刻Ｃ_１の電圧の拡大図を図６に示す。一方、実際の運転状態（渋滞路走行）であって、加湿過剰、酸素不足がない場合の単セル電圧の振動を測定した結果を図７に示す。また、図７の中で、電圧が振動している部分（時刻Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２）を拡大した図を図８〜図１０に示す。

図４より単セルが安定状態であれば、セル電圧に振動は起きない事が分かる。しかし、図７より燃料電池が運転状態にあるときは、単セルの電圧は加湿状態に異常がない場合でも振動している事が分かる。したがって、各時刻の拡大図、図８〜図１０と、実際に加湿状態に異常がある時の電圧測定結果である図５、図６を比較すると、電圧の波形に大きな差異がなく区別できない。

したがって、特許文献１では、加湿状態に異常がない場合でも燃料電池が運転状態であれば、セルの出力電圧は振動している為、異常と判定してしまう場合がある。しかし、本実施形態では、単セルの出力電圧の振動に影響を受けにくい最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第１の所定値とを比較することで、燃料電池が運転状態にある場合も燃料電池スタックの加湿状態に異常があるときを正確に判定できる。

さらに、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿不足状態にする動作として、酸化剤ガスの流量を増加させた後、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と加湿不足によって急激な電圧降下が生じる前の電圧差より小さい第２の所定値とを比較することで、燃料電池スタック１が加湿不足であるのか、それ以外の状態（加湿過剰、酸素不足）であるのかを判定できる。つまり、酸化剤ガス流量を増加させる事で、燃料電池スタック１の加湿状態が回復せず、更に電圧差が降下し第２の所定値以下となる場合、燃料電池スタック１は元々加湿不足状態にあったと推定できる為である。一方、酸化剤ガス流量を増加させる事で、電圧差が回復する場合は、加湿不足以外の状態であると推定できる為である。

また、Ｓ０４での酸化剤ガス流量を変更する判定は、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値を２回以上超えた時に流量を変化させるとしてもよい。このような、構成をとることにより、燃料電池スタックの加湿状態に異常があるときのみ、本実施形態に関わる加湿状態判定方法を実行できる。

Ｓ０８、Ｓ０９での加湿状態の判定は、所定時間内に複数回測定された最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第１または第２の所定値の比較結果が、所定回数肯定判定された場合に肯定判定するとしても良い。たとえば、３秒間に６回計測された測定結果のうち５回肯定判定された場合に肯定判定する。このような構成をとることにより、より正確に加湿状態の判定をすることができる。

Ｓ０６における酸化剤ガス流量の変化量は、燃料電池スタックから取り出す負荷電流が大きいほど、ガス流量を小さくしても良い。このような構成を取ることで、負荷電流が大きい場合に、急激に酸化剤ガス流量を増加させて燃料電池スタックが乾燥状態になることを防ぐことができる。

Ｓ０２における平均セル電圧Ｖ_Aの演算は、式（１）のように、燃料電池スタックの電圧を、燃料電池スタックを構成する総セル数で除することにより求めることで、セルブロック電圧の合計を総セル数で除する場合よりも計測誤差を小さくすることができる。

Ｓ０２における最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎの演算は、式（２）のように求めることで、セルブロック内セルがすべて小さい電圧降下を起こしている場合、単セルの電圧降下分として算出するので、加湿状態変化の初期に異常を判定することができる。

本実施形態におけるセルブロックは、単セルで構成されても良いし、複数のセルで構成されても良い。単セルで構成された場合、全単セルの電圧を計測しているので、電圧の測定精度が良く加湿状態を正確に判定できる。一方、複数セルで構成された場合は、燃料電池システムの構成を簡易にすることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第２の所定値以上となった場合に酸化剤ガスの流量を増加させて、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差の変化によって、燃料電池スタック１の加湿状態を判定したが、第２実施形態では、電圧差が第１の所定値より小さくなった場合、酸化剤ガスの流量を減少させ、その後の電圧差の変化から加湿状態を判定するようにしたものである。

第２実施形態に関わる燃料電池システムの構成は図１と同一であるため、図示及び説明を省略する。

図１１のフローチャートを用いて第２実施形態に係わる燃料電池スタックの加湿状態判定方法を説明する。Ｓ１０１〜Ｓ１０４までは、図２のＳ０１〜Ｓ０４と同じである。

（Ａ）Ｓ１０４にて、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値以上の場合（Ｓ１０４にてＮＯ）、Ｓ１０５に進み、酸化剤ガスの流量を維持して運転を継続する。

（Ｂ）Ｓ１０４にて、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値より小さい場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、Ｓ１０６に進み、酸化剤ガス流量司令部１７が、酸化剤ガスの流量を減少させるよう酸化剤ガス流量調整手段に制御信号を送信する。

（Ｃ）酸化剤ガスの流量が減少後、Ｓ１０７で、電圧差比較部１６が、さらに最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第１の所定値以下である第３の所定値とを比較する。

（Ｄ）最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第３の所定値より大きい場合（Ｓ１０７にてＹＥＳ）、Ｓ１０８に進み、加湿状態判定部１８が、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿過剰状態にする動作である酸化剤ガスの流量を減少させることで、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎが平均セル電圧Ｖ_Aに回復することから、燃料電池スタック１は加湿不足であると判定する。

（Ｅ）一方、Ｓ１０７で最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が、酸化剤ガスの流量を減少させる事で更に電圧差が低下し第３の所定値以下の場合（Ｓ１０７にてＮＯ）、Ｓ１０９へ移行し、電圧差比較部１６が、更に最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第３の所定値以下の値である第４の所定値とを比較する。

（Ｆ）最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第４の所定値より小さい場合（Ｓ１０９にてＮＯ）、Ｓ１１０に進み、加湿状態判定部１８が、燃料電池スタック１の加湿状態は、酸化剤ガスの流量が減少した事で、燃料電池スタック１で酸化反応が十分に行われず電圧降下が生じた為で、燃料電池スタック１は酸素不足であると判定する。

（Ｇ）一方、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第４の所定値以上の場合（Ｓ１０９にてＹＥＳ）、Ｓ１１１に進み、加湿状態判定部１８が、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿過剰状態にする動作である酸化剤ガスの流量を減少させることで、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎが平均セル電圧Ｖ_Aに回復せず、更に最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎが低下することから、燃料電池スタック１は加湿過剰であると判定する。

また、Ｓ１０８、Ｓ１１０、Ｓ１１１での加湿状態の判定は、所定時間内に複数回測定された最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第1、第３または第４の所定値の比較結果が、所定回数肯定判定された場合に肯定判定するとしても良い。たとえば、３秒間に６回計測された測定結果のうち５回肯定判定された場合に肯定判定する。

また、燃料電池スタック１が加湿過剰になると、セル電圧は第1の所定値から更に低下し、ある加湿過剰状態で急激な電圧降下を起こす。従って、急激な電圧降下が生じる前の最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差を実験によって求めておき、その実験値より大きい値を第３の所定値としておく事が好ましい。また、本発明において、第１の所定値と第３の所定値は、同じ値であっても良い。例えば、第３の所定値として、−０．２Ｖ〜−０．３Ｖを設定することが好ましい。

また、酸化剤ガスの流量を減少した場合、酸化剤ガスに含まれる酸素の欠乏によって、燃料電池スタック１において反応ガス同士の反応が起こらず、著しい電圧降下が生じる場合がある。従って、著しい電圧降下が生じる前の最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差を実験によって求めておき、その実験値より大きい値を第４の所定値としておく事が好ましい。例えば、第４の所定値として、−０．３Ｖ〜−０．５Ｖを設定することが好ましい。

第２実施形態によると、酸化剤ガスの流量を減少させた後、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差と第３の所定値とを比較することで、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿過剰状態にする動作である酸化剤ガスの流量を減少させることで、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎが平均セル電圧Ｖ_Aに回復することから、燃料電池スタック１が加湿不足であることを判定できる。

さらに、燃料電池スタック１の加湿状態を加湿過剰状態にする動作である酸化剤ガスの流量を減少させる事で、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第３の所定値以下で、酸素不足により発電反応が促進されず電圧降下したと判断する第４の所定値以下となる時、燃料電池スタック１の加湿状態は、酸素不足であると判定することができる。また、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第３の所定値以下で、酸素不足により発電反応が促進されず電圧降下したと判断する第４の所定値より大きい時は、酸素不足ではなく加湿過剰の状態が進み電圧降下したと考えられ、燃料電池スタック１は、加湿過剰状態であることを判定できる。

例えば、図１２には、実際に最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値を超えた場合に、酸化剤ガス流量を減少させたときの最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差を測定した結果を示す。図１２では、第１の所定値と第３の所定値が同じとした。また、（最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎ―平均セル電圧Ｖ_A）の縦軸は、右側（電圧差／Ｖ）であり、上に向って数値が大きくなる。一方、「平均セル電圧Ｖ_A」と「最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎ」の縦軸は、左側（電圧／Ｖ）であり、上に向って数値が大きくなる。

図１２において、時刻Ａ_３において、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値を超えたので、酸化剤ガス流量を減じはじめる。その結果、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差は、更に小さくなり第１の所定値はもちろん、第４の所定値よりも大きくならない。したがって、本場合は、燃料電池スタックは酸素不足であると判定する。

（第３実施形態）
図１３のフローチャートを用いて、第３実施形態に係わる燃料電池スタックの加湿状態判定方法を説明する。

第３実施形態に関わる燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムに対して、燃料電池スタック温度検出装置を追加したものであり、図示を省略する。燃料電池スタック温度検出装置は、燃料電池スタック１の温度を検出する機能を備え、例えば燃料電池スタック１に熱的に接続された温度センサなどがこれに相当する。

Ｓ２０１〜Ｓ２０４は、図２のＳ０１〜Ｓ０４および図１１のＳ１０１〜Ｓ１０４と同様である。

（ａ）第３実施形態では、Ｓ２０４おいて、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値より大きいと判定された後（Ｓ２０４にてＹＥＳ）、Ｓ２０６に進み、燃料電池スタック温度検出装置が燃料電池スタック温度を検出する。また、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎから平均セル電圧Ｖ_Aを減算した電圧差が第１の所定値以上の場合（Ｓ２０４にてＮＯ）、Ｓ２０５に移行し酸化剤ガスの流量を維持して運転が継続される。

（ｂ）燃料電池スタック１の温度が所定値より小さい場合（Ｓ２０６にてＹＥＳ）、燃料電池スタック１が加湿不足で電圧低下を起こしている場合が多いため、酸化剤ガス流量司令部１７が、酸化剤ガスの流量を減少するよう酸化剤ガス流量調整手段に制御信号を送信する（Ｓ２０７）。酸化剤ガスの流量を減少した後のＳ２０９〜Ｓ２１３は、図１１のＳ１０７〜Ｓ１１１と同様のフローとなる。

（ｃ）一方、Ｓ２０６にて燃料電池スタック温度が所定値より小さいと判定された場合は（Ｓ２０６にてＮＯ）、燃料電池スタック１が加湿過剰で電圧低下を起こしている場合が多いため、酸化剤ガス流量司令部１７が、酸化剤ガスの流量を増加するよう酸化剤ガス流量調整手段に制御信号を送信する（Ｓ２０８）。酸化剤流量の増加後は、図２のＳ０７〜Ｓ０９と同様である。

第３実施形態によると、燃料電池スタック温度によって、酸化剤ガスの流量の変化方向を決定するので、燃料電池スタック温度が所定値以上では、加湿不足である可能性が高い為、酸化剤ガスの流量を増加し更に加湿不足に移ることを防げる。一方、燃料電池スタック温度が所定値より小さい場合は、加湿過剰である可能性が高い為、酸化剤ガスの流量を減少し更に加湿過剰になることを防ぐことができる。

上記のように、本発明は、第１乃至第３の実施形態及びその変形例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実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係わる、燃料電池スタックの加湿状態判定方法のフローチャートである。 酸化剤ガス流量を減じる事により、加湿状態を変化させた場合の電圧波形を示すグラフである。 図３における時刻Ａ（安定運転状態）の拡大図である。 図３における時刻Ｂ（加湿過剰状態）の拡大図である。 図３における時刻Ｃ（酸素不足状態）の拡大図である。 燃料電池運転状態（渋滞路走行）での最低セル電圧の時間変化を示すグラフである。 図７における時刻Ａの拡大図である。 図７における時刻Ｂの拡大図である。 図７における時刻Ｃの拡大図。 第２実施形態に係わる、燃料電池スタックの加湿状態判定方法のフローチャートである。 第２実施形態に係わる加湿状態判定方法での、最低セル電圧と平均セル電圧Ｖ_Aの差の実測例示すグラフである。 第３実施形態に係わる、燃料電池スタックの加湿状態判定方法のフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 単セル
５ 酸化剤ガス流量調整手段（スロットル）
７ セルブロック
８ 第１電圧センサ
９ 第２電圧センサ
１０ 制御部
１３ 平均セル電圧算出部
１４ 最低セル電圧算出部
１５ 電圧差算出部
１６ 電圧差比較部
１７ 酸化剤ガス流量司令部
１８ 加湿状態判定部

Claims (13)

1. 水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池の加湿状態判定方法であって、
   燃料電池スタックを構成する複数の単位セルの平均電圧（平均セル電圧）を演算し、
   前記単位セルより出力される電圧の最低値（最低セル電圧）を演算し、
   前記最低セル電圧から前記平均セル電圧を減算した電圧差を演算し、
   前記電圧差と第１の所定値とを比較し、
   前記電圧差と前記第１の所定値との比較結果に基づいて酸化剤ガスの流量を変更し、
   前記酸化剤ガスの流量を変更した後、前記電圧差の変化に基づいて、前記燃料電池スタックの加湿状態を判定することを
   特徴とする燃料電池の加湿状態判定方法。
2. 前記電圧差と第１の所定値との比較結果に基づいて前記酸化剤ガスの流量を変更することは、
   前記電圧差と第１の所定値とを比較した結果、
   前記電圧差が前記第１の所定値より小さい場合、前記酸化剤ガスの流量を変更し、
   前記電圧差が前記第１の所定値以上の場合、前記酸化剤ガスの流量を維持して燃料電池の運転を継続することである
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
3. 前記酸化剤ガスの流量を変更することは、前記酸化剤ガスの流量を増加することであり、
   前記燃料電池スタックの加湿状態を判定することは、
   前記酸化剤ガスの流量を増加した後、前記電圧差と前記第１の所定値以下の値である第２の所定値とを比較し、
   前記電圧差が前記第２の所定値より大きい場合、
   前記燃料電池スタックでは流路に水つまりが生じている（加湿過剰）または前記酸化剤ガスの供給が不足している（酸素不足）と判定し、
   前記電圧差が前記第２の所定値以下の場合、
   前記燃料電池スタックでは電解質膜が乾燥している（加湿不足）と判定することを
   特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
4. 前記酸化剤ガスの流量を変更することは、前記酸化剤ガスの流量を減少することであり、
   前記燃料電池スタックの加湿状態を判定することは、
   前記酸化剤ガスの流量を減少した後、前記電圧差と前記第１の所定値以下の値である第３の所定値とを比較し、
   前記電圧差が前記第３の所定値より大きい場合、
   前記燃料電池では電解質膜が乾燥している（加湿不足）と判定し、
   前記電圧差が前記第３の所定値以下で、且つ第３の所定値以下の値である第４の所定値以上となった場合、
   前記燃料電池スタックでは流路に水つまりが生じている（加湿過剰）と判定し、
   前記電圧差が前記第４の所定値より小さい場合、
   前記燃料電池スタックでは酸化剤ガスの供給が不足している（酸素不足）と判定することを
   特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
5. 前記酸化剤ガスの流量を変更する前に、前記燃料電池スタックの温度を測定し、
   前記温度が所定温度未満のとき、前記酸化剤ガスの流量を増加し、
   前記温度が所定温度以上のとき、前記酸化剤ガスの流量を減少することを
   特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
6. 前記電圧差と第１の所定値との比較結果に基づいて、前記酸化剤ガスの流量を変更することは、
   前記電圧差と第１の所定値とを比較した結果、
   ２回以上、前記電圧差が第1の所定値より小さくなった時に限り、
   前記酸化剤ガスの流量を変化させることを
   特徴とする請求項１〜５何れか１項記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
7. 前記酸化剤ガスの流量を変更した後、前記電圧差の変化に基づいて、前記燃料電池スタックの加湿状態を判定することは、
   前記酸化剤ガスの流量を変更した後に前記電圧差を２回以上測定し、
   前記電圧差の変化に基づいてされる判定結果が、２回以上同じとなった場合に、前記燃料電池スタックの加湿状態を決定することであることを
   特徴とする請求項１〜６何れか１項記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
8. 前記酸化剤ガスの流量を変更する際の変化量は、
   燃料電池スタックから取り出す負荷電流が大きいほど、小さくすることを
   特徴とする請求項１〜７何れか１項記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
9. 前記平均セル電圧は、
   前記燃料電池スタックの電圧を、前記燃料電池スタックを構成する総セル数で除することにより求められる事を
   特徴とする請求項１〜８何れか一項記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
10. 前記最低セル電圧は、
    燃料電池スタックを任意の個数の前記単位セルで分割するセルブロックの電圧（Ｃ）と前記平均セル電圧（Ｅ）と前記セルブロックを構成するセル数（Ｄ）から、下式で演算されるセル電圧（Ｆ）の最小値として求められることを
    特徴とする請求項１記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
    Ｆ＝Ｃ−（Ｄ−１）× Ｅ
11. 前記セルブロックは、単セルで構成されることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
12. 前記セルブロックは、複数のセルで構成されることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の加湿状態判定方法。
13. 水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池の加湿状態判定装置であって、
    酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、
    制御部とを備え、
    前記制御部は、
    前記燃料電池スタックを構成する複数の単セルの平均電圧（平均セル電圧）を演算する平均セル電圧算出部と、
    前記単セルより出力される電圧の最低値（最低セル電圧）を演算する最低セル電圧算出部と、
    前記平均セル電圧と前記最低セル電圧の差を演算する電圧差算出部と、
    前記電圧差と第１の所定値とを比較する電圧比較部とを備え、
    前記電圧差と前記第１の所定値との比較結果に基づいて酸化剤ガスの流量を変更し、
    前記酸化剤ガスの流量を変更した後、前記電圧差の変化に基づいて、前記燃料電池スタックの加湿状態を判定することを
    特徴とする燃料電池システム。

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