JP2007305519A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料効率の低下を防止して、燃料電池内部における結露の発生を抑制できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、この燃料電池を通して冷媒を循環させる冷却システムと、を備える。また、この燃料電池システムは、燃料電池の外部に排出可能な水滴量が、燃料電池の内部で生成される水滴量より少ないか否かを判断する水滴排出判断手段５３と、燃料電池からの放熱量を算出する放熱量算出手段５２と、燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出手段５１と、水滴排出判断手段５３により、排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合に、放熱量および発熱量に基づいて、冷却システムのウォータポンプ３２を制御する冷媒制御手段５４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池内部に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、上述のような燃料電池では、その内部で水素と酸素とを反応させているため、燃料電池内部の反応ガス流路において水が生成される。しかしながら、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、水の沸騰温度以下で運転するため、結露が発生する場合がある。

図１４は、発電電流と反応ガス出入口の圧力差との関係を示す図であり、具体的には、燃料電池の発電電流に対して、この発電電流を出力するのに必要な量の反応ガスを供給した場合に生じる反応ガス出入口の圧力差を示している。ここで、反応ガス出入口の圧力差とは、燃料電池内の反応ガス流路の出口側と入口側との間の圧力差である。

図１４に示すように、反応ガス出入口の圧力差は、発電電流に略比例して増加する。図１４中の水滴排出可能差圧は、反応ガスの供給により生じる反応ガス出入口の圧力差によって、燃料電池の内部で生成された水滴を含む水分が燃料電池の外部に排出される反応ガス出入口の圧力差の下限値を示している。また、図１４中の所定電流は、この水滴排出可能差圧と対応する発電電流の値を示している。

すなわち、発電電流が図１４に示す所定電流よりも小さい場合には、生成された水滴が燃料電池の外部に排出されずに滞留するフラッディング現象が発生し、これにより発電が不安定になる。

このため、発電電圧が異常であると判断された場合には、反応ガスの流量を一時的に増加させることにより、結露により発生して反応ガス流路に付着した水滴を、燃料電池の外部に排出する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
この燃料電池システムによれば、反応ガスの流量を一時的に増加させることにより、低電流域であっても、図１４中の破線に示すように、反応ガス出入口における圧力差を水滴排出可能差圧より大きくすることができる。したがって、発電電流が上記所定電流以下であっても、発電を安定させることができる。
特開平６−２２３８５９号公報

しかしながら、このような燃料電池システムでは、低電流域であっても反応ガスを多く供給する必要があり、燃料効率を低下させるだけでなく、この反応ガスを供給するコンプレッサ等の装置を駆動する必要もあるため、エネルギー効率をも低下させるおそれがあった。

本発明は、燃料効率の低下を防止して、燃料電池内部における結露の発生を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

（１） 燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、当該燃料電池を通して冷媒を循環させる冷媒循環装置（例えば、実施の形態における冷却システム３０，３０Ａ，３０Ｂ）と、を備える燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１，１Ａ，１Ｂ）であって、前記燃料電池の外部に排出可能な水滴量が当該燃料電池の内部で生成される水滴量より少ないか否かを判断する水滴排出判断手段（例えば、実施の形態における水滴排出判断手段５３）と、前記燃料電池からの放熱量を算出する放熱量算出手段（例えば、実施の形態における放熱量算出手段５２）と、前記燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出手段（例えば、実施の形態における発熱量算出手段５１）と、前記水滴排出判断手段により、前記排出可能な水滴量が前記生成される水滴量よりも少ないと判断された場合に、前記放熱量および前記発熱量に基づいて、前記冷媒循環装置を制御する冷媒制御手段（例えば、実施の形態における冷媒制御手段５４，５４Ａ，５４Ｂ）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。

（１）の発明によれば、燃料電池システムに、水滴排出判断手段と、放熱量算出手段と、発熱量算出手段と、冷媒制御手段とを設けた。
これにより、水滴排出判断手段により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合、すなわち、燃料電池の内部に水滴が滞留するおそれがあると判断された場合には、燃料電池の放熱量および発熱量に基づいて冷媒循環装置を制御し、燃料電池の温度を調整させることで結露の発生を抑制できる。すなわち、燃料電池の温度を調整して、燃料電池の内部で生成される水分の気化を促進することにより、この燃料電池の内部の水分を外部に排出させやすくでき、したがって、フラッディングを防止して、発電を安定させることができる。
また、以上のように、結露の発生を抑制するためには、冷媒循環装置を制御して燃料電池の温度を調整するのみでよく、燃料ガスや酸化ガスを余分に供給する必要がないため、燃料効率およびエネルギー効率の低下を防止できる。

（２） 前記冷媒制御手段は、前記放熱量が前記発熱量よりも小さい場合には、これら放熱量と発熱量との差に基づいて、前記冷媒循環装置の運転時間および停止時間を算出し、これら運転時間および停止時間に基づいて前記冷媒循環装置を間欠冷却運転させ、前記放熱量が前記発熱量よりも大きい場合には、前記冷媒循環装置の運転を停止させることを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（２）の発明によれば、水滴排出判断手段により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、放熱量と発熱量との差に基づいて、冷媒循環装置を間欠冷却運転させる。また、水滴排出判断手段により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、冷媒循環装置の運転を停止させる。
ここで、燃料電池の放熱量が発熱量よりも小さい場合には、燃料電池の温度は上昇する傾向にあり、また、燃料電池の放熱量が発熱量よりも大きい場合には、燃料電池の温度は下降する傾向にある。

これにより、燃料電池の温度が下降する傾向にある場合には、冷媒循環装置の運転を停止させることにより、燃料電池の過剰な温度低下を防止でき、したがって、結露の発生を抑制できる。また、燃料電池の温度が上昇する傾向にある場合には、冷媒循環装置を間欠冷却運転させることにより、燃料電池の過剰な温度上昇を防止でき、したがって、結露の発生を抑制しながら燃料電池内部の過乾燥を防止できる。

（３） 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置（例えば、実施の形態におけるコンプレッサ２１Ａ）をさらに備え、前記冷媒循環装置は、前記燃料電池を通って冷媒が循環する冷媒循環路（例えば、実施の形態における冷媒循環路３１）と、前記冷媒循環路から分岐して前記燃料電池を迂回する冷媒迂回路（例えば、実施の形態における燃料電池迂回路３５Ａ）と、前記冷媒循環路内の冷媒を圧送する循環機構（例えば、実施の形態におけるウォータポンプ３２Ａ）と、前記冷媒循環路または前記冷媒迂回路を切り替える冷媒流路切替手段（例えば、実施の形態におけるバイパス弁３６Ａ）と、を備え、前記循環機構は、前記酸化ガス供給装置と駆動軸が一体化されており、前記冷媒制御手段は、前記放熱量が前記発熱量よりも小さい場合には、前記放熱量と前記発熱量との差に基づいて、冷媒を前記冷媒迂回路に流す冷媒迂回時間を算出し、この冷媒迂回時間に基づいて前記冷媒流路切替手段を切り替えて冷媒を間欠的に迂回させ、前記放熱量が前記発熱量よりも大きい場合には、前記冷媒流路切替手段を切り替えて冷媒を迂回させることを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（３）の発明によれば、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置の駆動軸と、冷媒を圧送する循環機構の駆動軸とを一体化した。これにより、これら酸化ガス供給装置および循環機構を駆動するためのエネルギーの効率を上げることができ、かつ、燃料電池システムを小型化できる。
しかしながら、駆動軸を一体化することにより、酸化ガス供給装置と循環機構とは、同時に駆動されることとなるため、例えば、酸化ガスを供給している間は、循環機構を間欠的に運転させたり停止させたりできない。

そこで、燃料電池を通って冷媒が循環する冷媒循環路と、この冷媒循環路から分岐して燃料電池を迂回する冷媒迂回路とを設け、さらに、これら冷媒循環路または冷媒迂回路を切り替える冷媒流路切替手段を設けた。
これにより、循環機構が冷媒の圧送を継続した状態であっても、冷媒流路切替手段により、冷媒が流れる流路を冷媒循環路または冷媒迂回路に切り替えることによって、燃料電池を間欠的に冷却させたり、燃料電池の冷却を停止させたりできる。

また、この燃料電池システムは、水滴排出判断手段により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、放熱量と発熱量との差に基づいて、冷媒が冷媒迂回路を流れる冷媒迂回時間を算出し、この冷媒迂回時間に基づいて冷媒流路切替手段を切り替えて冷媒を間欠的に迂回させる。一方、水滴排出判断手段により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、冷媒流路切替手段を切り替えて冷媒を迂回させる。
これにより、燃料電池の温度が下降する傾向にある場合には、冷媒を迂回させることにより、燃料電池の過剰な温度低下を防止でき、したがって、結露の発生を抑制できる。また、燃料電池の温度が上昇する傾向にある場合には、冷媒を間欠的に迂回させることにより、燃料電池の過剰な温度上昇を防止でき、したがって、結露の発生を抑制しながら燃料電池内部の過乾燥を防止できる。

（４） 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置（例えば、実施の形態におけるコンプレッサ２１Ｂ）をさらに備え、前記冷媒循環装置は、前記燃料電池を通って冷媒が循環する冷媒循環路（例えば、実施の形態における冷媒循環路３１）と、前記冷媒循環路内の冷媒を圧送する循環機構（例えば、実施の形態におけるウォータポンプ３２Ｂ）と、前記冷媒循環路に設けられ冷媒の流量を調整可能な冷媒流量調整弁（例えば、実施の形態における絞り弁３６Ｂ）と、を備え、前記冷媒制御手段は、前記放熱量および前記発熱量に基づいて、前記冷媒流量調整弁の開度を調整することを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（４）の発明によれば、燃料電池を通って冷媒が循環する冷媒循環路に、冷媒を圧送する循環機構と、冷媒の流量を調整可能な冷媒流量調整弁を設けた。
これにより、循環機構による冷媒の圧送を継続しながら、冷媒流量調整弁の開度を調整することにより、燃料電池を通る冷媒の流量を調整して、燃料電池を適度な温度に調整できる。

（５） 前記循環機構は、前記酸化ガス供給装置と駆動軸が一体化されていることを特徴とする（４）に記載の燃料電池システム。

（５）の発明によれば、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置の駆動軸と、冷媒を圧送する循環機構の駆動軸とを一体化した。これにより、これら酸化ガス供給装置および循環機構を駆動するためのエネルギーの効率を上げることができ、かつ、燃料電池システムを小型化できる。

本発明によれば、燃料電池システムに、水滴排出判断手段と、放熱量算出手段と、発熱量算出手段と、冷媒制御手段とを設けた。これにより、水滴排出判断手段により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合、すなわち、燃料電池の内部に水滴が滞留するおそれがあると判断された場合には、燃料電池の放熱量および発熱量に基づいて冷媒循環装置を制御し、燃料電池の温度を調整させることで結露の発生を抑制できる。すなわち、燃料電池の温度を調整して、燃料電池の内部で生成される水分の気化を促進することにより、この燃料電池の内部の水分を外部に排出させやすくでき、したがって、フラッディングを防止して、発電を安定させることができる。また、以上のように、結露の発生を抑制するためには、冷媒循環装置を制御して燃料電池の温度を調整するのみでよく、燃料ガスや酸化ガスを余分に供給する必要がないため、燃料効率およびエネルギー効率の低下を防止できる。

＜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１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスや酸化ガスとしての空気を供給する供給装置２０と、燃料電池１０を通して冷媒を循環させる冷媒循環装置としての冷却システム３０と、これらを制御する制御装置４０とを有する。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含む空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。この燃料電池１０の各セパレータの間には、後述の冷却システム３０の冷媒が流れる燃料電池内部流路１０１が形成されており、これにより、上記電気化学反応により発熱した燃料電池１０は冷却される。また、この燃料電池１０には、燃料電池１０の電流を計測する燃料電池電流計４１と、燃料電池１０の電圧を計測する燃料電池電圧計４２とが接続されている。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給する酸化ガス供給装置としてのコンプレッサ２１および加湿器２９と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。

コンプレッサ２１は、エア供給路２３および加湿器２９を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
加湿器２９は、燃料電池１０から排出される空気に含まれる水分で、コンプレッサ２１から供給される空気を加湿する。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、加湿器２９を介して、背圧弁２４１が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、遮断弁２５１が設けられている。

また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。

エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

冷却システム３０は、燃料電池１０の燃料電池内部流路１０１を通って冷媒が循環する冷媒循環路３１と、この冷媒循環路３１に接続されたラジエタ３３と、を備える。

冷媒循環路３１は、冷媒がラジエタ３３から燃料電池１０へ流れる燃料電池流入路３１１と、燃料電池１０に形成された燃料電池内部流路１０１と、冷媒が燃料電池１０からラジエタ３３へ流れる燃料電池流出路３１２と、ラジエタ３３に形成された後述のラジエタ内部流路３３１と、を含んで構成される。
また、この冷媒循環路３１には、燃料電池流出路３１２から分岐して燃料電池流入路３１１に連結されたラジエタバイパス流路３１３が、さらに設けられている。

ラジエタ３３には、燃料電池流出路３１２および燃料電池流入路３１１と接続されたラジエタ内部流路３３１が設けられている。このラジエタ内部流路３３１に冷媒を流すことにより、ラジエタ３３は、冷媒と熱交換して、この冷媒を冷却する。

燃料電池流入路３１１には、循環機構としてのウォータポンプ３２が設けられている。
ウォータポンプ３２は、冷媒循環路３１内の冷媒を圧送することにより、冷媒を冷媒循環路３１内で循環させる。このウォータポンプ３２は、制御装置４０によってその回転数を制御することが可能となっており、冷媒循環路３１の燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量は、このウォータポンプ３２の回転数を制御することにより調整される。

例えば、ウォータポンプ３２の回転数を増加させると、冷媒循環路３１を循環する冷媒の流速は増加する。このように冷媒の流速が増加すると、単位時間当たりに燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量も増加するため、冷媒と燃料電池１０との熱交換が促進されて、燃料電池１０が迅速に冷却される。
また、例えば、ウォータポンプ３２の運転を停止させると、燃料電池内部流路１０１の冷媒の流れが停止するため、燃料電池１０の冷却も停止する。

燃料電池流出路３１２の、ラジエタバイパス流路３１３と分岐した部分には、サーモスタット３４が設けられている。
サーモスタット３４は、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒を、その冷媒温度に応じた割合で、ラジエタ内部流路３３１とラジエタバイパス流路３１３とに分流するバルブである。サーモスタット３４には、このサーモスタット３４内部を流れる冷媒の温度に応じて膨張するワックスが設けられており、これにより、燃料電池流出路３１２からラジエタ内部流路３３１またはラジエタバイパス流路３１３に流れる冷媒の流量を調整する。
これにより、例えば、燃料電池１０が始動直後であり冷媒の温度が低い場合には、ラジエタバイパス流路３１３に多くの冷媒を流入させて冷媒の過冷却を防止する。また、燃料電池１０の運転中であり冷媒の温度が高い場合には、ラジエタ内部流路３３１に多くの冷媒を流入させて冷媒の冷却を促進する。以上のようにして、冷媒の温度は調整される。

また、燃料電池流入路３１１の燃料電池１０側には、この燃料電池流入路３１１内の冷媒の温度を計測する流入口温度計４３が設けられており、燃料電池流出路３１２の燃料電池１０側には、この燃料電池流出路３１２内の冷媒の温度を計測する流出口温度計４４が設けられている。さらに、燃料電池１０および冷却システム３０から離れた場所には、燃料電池システム１が設置された場所の外気の温度を計測する外部温度計４５が設けられている。

また、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、遮断弁２５１、パージ弁２６１、およびウォータポンプ３２は、後述の制御装置４０により制御される。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水とともに、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。これら水素ガスおよび空気は、図示しない排ガス処理装置で処理されて、外部に排出される。

図２は、制御装置４０のブロック図である。
制御装置４０は、発熱量算出手段５１、放熱量算出手段５２、水滴排出判断手段５３、および冷媒制御手段５４、を備える。

燃料電池電流計４１は、燃料電池１０で発電した電流を計測して、この計測値を制御装置４０に送信する。
燃料電池電圧計４２は、燃料電池１０で発電した電圧を計測して、この計測値を制御装置４０に送信する。
流入口温度計４３は、燃料電池流入路３１１を流れる冷媒の温度Ｔ１を計測して、この計測値を制御装置４０に送信する。
流出口温度計４４は、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒の温度Ｔ２を計測して、この計測値を制御装置４０に送信する。
外部温度計４５は、燃料電池システム１が設置された場所の外気の温度Ｔ３を計測して、この計測値を制御装置４０に送信する。

また、制御装置４０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置４０に送信する。制御装置４０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。

発熱量算出手段５１は、燃料電池電流計４１によって計測された電流と、燃料電池電圧計４２によって計測された電圧と、に基づいて、燃料電池１０の発熱量を算出する。
図３は、燃料電池１０の発電電力量と発熱量との関係を示す図である。この図に示すように、燃料電池１０の発熱量は、この燃料電池１０の発電電力量に略比例して増加する。
発熱量算出手段５１は、まず、燃料電池電流計４１によって計測された電流に、燃料電池電圧計４２によって計測された電圧を乗ずることによって、燃料電池１０で発電電力量を算出する。次に、算出された発電電力量をパラメータとして、図３に基づいて燃料電池１０の発熱量を算出する。

放熱量算出手段５２は、流入口温度計４３によって計測された冷媒の温度Ｔ１と、流出口温度計４４によって計測された冷媒の温度Ｔ２と、外部温度計４５によって計測された外気の温度Ｔ３と、に基づいて、燃料電池１０からの放熱量を算出する。
図４は、冷媒出入口の温度差と燃料電池１０の放熱量との関係を示す図であり、ウォータポンプ３２の一定の回転数で運転させた場合における冷媒出入口の温度差と放熱量との関係を示す図である。ここで、冷媒出入口の温度差とは、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒の温度（Ｔ２）と、燃料電池流入路３１１を流れる冷媒の温度（Ｔ１）との差である。また、この図に示すように、ウォータポンプ３２を一定の回転数で運転させた場合には、燃料電池１０の放熱量は、この燃料電池１０の冷媒出入口温度差に略比例して増加する。

放熱量算出手段５２は、まず、Ｔ２とＴ１との差、すなわちＴ２−Ｔ１を算出する。次に、この算出された温度差Ｔ２−Ｔ１、およびウォータポンプ３２の回転数をパラメータとして、図４に基づいて燃料電池１０の放熱量を算出する。
以上のようにして算出される放熱量は、燃料電池１０から燃料電池内部流路１０１を介して冷媒に放熱された熱量であるが、放熱量算出手段５２が算出する放熱量は、これに限らない。例えば、燃料電池１０、冷媒、ラジエタ３３および冷媒循環路３１等から外気に放熱した熱量も含めたものを放熱量として、放熱量算出手段５２は、外部温度計４５によって計測された外気の温度Ｔ３を考慮して、この放熱量を算出してもよい。

水滴排出判断手段５３は、燃料電池電流計４１によって計測された電流に基づいて、燃料電池１０の外部に排出可能な水滴量が、この燃料電池１０の内部で生成される水滴量より少ないか否かを判断する。
図１４を参照して先に説明したように、発電電流が上述の水滴排出可能差圧と対応する所定電流よりも小さい場合には、燃料電池１０内部で生成された水滴が、外部に排出されずに滞留するおそれがある。
水滴排出判断手段５３は、燃料電池電流計４１によって計測された電流が、上記所定電流より小さいか否かを判断することにより、燃料電池１０の外部に排出可能な水滴量が、この燃料電池１０の内部で生成される水滴量より少ないか否かを判断する。すなわち、計測された電流が所定電流よりも小さい場合には、排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断し、計測された電流が所定電流よりも大きい場合には、排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも多いと判断する。

冷媒制御手段５４は、ウォータポンプ制御部５４１と、間欠冷却運転時間算出部５４２と、を含んで構成され、燃料電池１０の状態に適した運転方法でウォータポンプ３２を制御する。

上述のように、ウォータポンプ３２は、制御装置４０によって、その回転数が制御可能である。冷媒制御手段５４は、ウォータポンプ３２の回転数を制御することにより、ウォータポンプ３２を通常冷却運転および間欠冷却運転させることができる。

ここで、通常冷却運転とは、ウォータポンプ３２を予め設定された所定の回転数で連続的に駆動して、燃料電池内部流路１０１に連続的に冷媒を流入させる運転方法である。
間欠冷却運転とは、ウォータポンプ３２を所定の回転数で間欠的に駆動して、燃料電池内部流路１０１に間欠的に冷媒を流入させる運転方法である。より具体的には、この間欠冷却運転とは、後述の間欠冷却運転時間算出部５４２によって算出される間欠冷却運転時間に基づいて、ウォータポンプ３２を所定の回転数で駆動した状態と、ウォータポンプ３２の回転数を０にした状態とを、交互に繰り返す運転方法である。この間欠冷却運転時間は、ウォータポンプ３２を所定の回転数で駆動した状態を継続する運転時間と、回転数を０にした状態を継続する停止時間と、で構成される、なお、この間欠冷却運転時間を算出する手順については、後に詳述する。

また、冷媒制御手段５４は、ウォータポンプ３２を、通常冷却運転または間欠冷却運転のいずれかの運転方法で運転させることができるとともに、これらの運転を停止させることもできる。

図５は、燃料電池１０の発電電流と、燃料電池１０の温度および水分排出量と、の関係を示す図である。ここで、図５では、ウォータポンプ３２の運転を停止させた場合における温度および水分排出量を実線で示し、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合における温度および水分排出量を破線で示している。また、水分排出量とは、燃料電池１０内部で生成された水分（水滴の状態を含む）が、反応ガス（水素ガスおよび空気）の供給によって、外部に排出される水分の量を示す。

図５中の破線で示すように、全発電電流域に亘ってウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合には、燃料電池１０の温度は、発電電流を小さくするに従って減少する。このため、発電電流が所定電流よりも小さい場合には、燃料電池１０の内部で生成された水分の多くは水滴として滞留し、水分排出量は急激に減少する。
一方、図５中の実線で示すように、発電電流が所定電流より小さい領域でウォータポンプ３２の運転を停止させた場合には、燃料電池内部流路１０１内の冷媒の流れが停止するため、通常冷却運転させた場合と比較して、燃料電池１０の温度は大きく上昇する。これにより、発電電流が所定電流よりも小さい場合であっても、燃料電池１０の内部で生成される水分の気化が促進されるため、この水分を反応ガスの供給によって容易に排出することが可能となる。したがって、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合と比較して、燃料電池１０の水分排出量は上昇する。

図６は、燃料電池１０の発電電力と、燃料電池１０の温度および水分排出量と、の関係を示す図である。ここで、図６では、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させた場合における温度および水分排出量を実線で示し、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合における温度および水分排出量を破線で示している。また、図６中の膜乾燥領域とは、水分排出量がこの膜乾燥領域内に含まれる場合には、燃料電池１０の電解質膜が過乾燥して劣化するおそれがある領域である。

発電電流が所定電流よりも小さい領域でウォータポンプ３２を間欠冷却運転させた場合には、冷媒は燃料電池内部流路１０１を間欠的に流れるため、通常冷却運転させた場合と比較して、燃料電池１０の温度は上昇する。しかしながら、通常冷却運転させた場合と比較して燃料電池１０の温度は上昇するものの、冷媒は間欠的に流れているため、図６に示すように、燃料電池１０の温度は、膜乾燥領域内に含まれる温度にまで上昇することはない。すなわち、間欠冷却運転時間算出部５４２によって算出された間欠冷却運転時間に基づいて、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させることで、燃料電池１０内部の水分の排出を容易にするとともに、燃料電池１０の電解質膜の過乾燥を防止している。

図２に戻って、ウォータポンプ制御部５４１は、水滴排出判断手段５３による判断と、発熱量算出手段５１によって算出された発熱量と、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量と、間欠冷却運転時間算出部５４２によって算出された間欠冷却運転時間と、に基づいて、ウォータポンプ３２を制御する。

ウォータポンプ制御部５４１は、まず、水滴排出判断手段５３による判断に基づいて、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させるか、または、間欠冷却運転させる。
水滴排出判断手段５３によって、燃料電池１０から排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも多いと判断された場合には、ウォータポンプ制御部５４１は、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させる。

また、水滴排出判断手段５３により、燃料電池１０から排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合には、ウォータポンプ制御部５４１は、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量、および発熱量算出手段５１によって算出された発熱量に基づいて、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させるか、またはウォータポンプ３２の運転を停止させる。

具体的には、ウォータポンプ制御部５４１は、発熱量と放熱量との大きさを比較する。このウォータポンプ制御部５４１による比較の結果、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、ウォータポンプ制御部５４１は、ウォータポンプ３２の運転を停止させる。また、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、間欠冷却運転時間算出部５４２は、これら放熱量と発熱量との差に基づいて、間欠冷却運転時間（運転時間および停止時間）を算出し、ウォータポンプ制御部５４１は、この間欠冷却運転時間に基づいてウォータポンプ３２を間欠冷却運転させる。

ここで、間欠冷却運転時間算出部５４２は、発熱量算出手段５１によって算出された発熱量と、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量と、に基づいて、間欠冷却運転時間を算出する。

具体的には、間欠冷却運転時間算出部５４２は、まず、発熱量と放熱量との差を算出する。
ここで、発熱量と放熱量との差が正である場合、すなわち、燃料電池１０の発熱量が放熱量よりも大きい場合は、燃料電池１０の温度は上昇する傾向にある。また、発熱量と放熱量との差が負である場合、すなわち、燃料電池１０の発熱量が放熱量よりも小さい場合は、燃料電池１０の温度は下降する傾向にある。
このため、間欠冷却運転時間算出部５４２は、算出した発熱量と放熱量との差が大きくなるに従って、すなわち、燃料電池１０の温度の上昇が大きくなるに従って、間欠冷却運転時間における運転時間を長くするとともに、間欠冷却運転時間における停止時間を短くする。
以上のようにして、間欠冷却運転時間算出部５４２は、間欠冷却運転時間（運転時間および停止時間）を算出する。

また、ウォータポンプ制御部５４１は、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させている間は、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒の温度Ｔ２を監視しており、この温度Ｔ２が電解質膜保護温度を下回る場合には間欠冷却運転を継続し、温度Ｔ２が電解質膜保護温度を上回った場合には間欠冷却運転を一旦終了させる。
ここで、この電解質膜保護温度とは、冷媒の温度の過上昇によって、電解質膜が過乾燥するのを防止するために設定された冷媒温度である。具体的には、この電解質膜保護温度とは、発電電流が所定電流以下であり、かつ、燃料電池１０の水分排出量と生成される水分量とが等しい場合における、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒温度である。このような電解質膜保護温度を設定することにより、燃料電池１０の電解質膜が過乾燥するのを確実に防止している。

以上の燃料電池システム１の動作について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、制御装置４０の水滴排出判断手段５３は、発電電流が所定電流よりも小さいか否かを判別する（ＳＴ１）。この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ３に移り、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ２に移る。ＳＴ２では、ウォータポンプ制御部５４１は、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させ、ＳＴ１に移る。

ＳＴ３では、ウォータポンプ制御部５４１は、発熱量と放熱量とを比較して、発熱量が放熱量よりも大きいか否かを判別する。この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ５に移り、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ４に移る。ＳＴ４では、ウォータポンプ制御部５４１は、ウォータポンプ３２の運転を停止させ、ＳＴ１に移る。

ＳＴ５では、間欠冷却運転時間算出部５４２は、発熱量と放熱量との差を算出し、この差に基づいて、間欠冷却運転時間（運転時間および停止時間）を算出し、ＳＴ６に移る。ＳＴ６では、ウォータポンプ制御部５４１は、ＳＴ５で算出された間欠冷却運転時間で、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させ、ＳＴ７に移る。

ＳＴ７では、ウォータポンプ制御部５４１は、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒の温度Ｔ２と電解質膜保護温度とを比較して、Ｔ２が電解質膜保護温度よりも大きいか否かを判別する。この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ１に移り、“ＮＯ”ときはＳＴ６に移る。

さらに、以上の燃料電池システム１の動作の例について、ウォータポンプ３２の運転を停止させた場合と、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させた場合とを、それぞれ図８および図９を用いて説明する。
図８は、燃料電池１０の温度変化を示す図である。この図８では、発電電流が上記所定電流より小さくなった時刻をｔ_１として、図７のフローチャートに基づいてウォータポンプ３２を運転させた場合の温度変化の例を実線で示し、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合の温度変化の例を破線で示す。

まず、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合における燃料電池１０の温度変化について説明する。
図８中の破線に示すように、発電電流が所定電流より小さくなった時刻ｔ_１以降において、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合には、燃料電池１０の温度は急激に低下する。これにより、燃料電池１０内部に水滴が滞留することとなる。

次に、ウォータポンプ３２を図７のフローチャートに基づいて運転させた場合における燃料電池１０の温度変化について説明する。
時刻ｔ_１では、水滴排出判断手段５３によって、排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され（図７中ＳＴ１）、かつ、ウォータポンプ制御部５４１によって、燃料電池１０の温度が下降する傾向にある（放熱量＞発熱量）と判断される（図７中ＳＴ３）。これにより、ウォータポンプ３２の運転が停止される（図７中ＳＴ４）。

時刻ｔ_１以降は、ウォータポンプ３２の運転を停止させることにより、燃料電池１０の冷却が停止される。この時刻ｔ_１以降では、冷却が停止されているので、破線に示す通常冷却運転を行った場合と比較して、燃料電池１０の温度の下降は緩やかになる。これにより、燃料電池１０内部で生成された水分の気化が促進されて、燃料電池１０内部に水分が滞留しにくくなる。

図９は、燃料電池１０の温度変化を示す図である。この図９では、発電電流が所定電流より小さくなった時刻をｔ_２として、図７のフローチャートに基づいてウォータポンプ３２を運転させた場合の温度変化の例を実線で示し、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合の温度変化の例を破線で示す。

まず、図９中の破線に示すように、発電電流が所定電流より小さくなった時刻ｔ_２以降において、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させた場合には、燃料電池１０の温度は急激に低下する。これにより、燃料電池１０内部に水滴が滞留することとなる。

次に、ウォータポンプ３２を図７のフローチャートに基づいて運転させた場合における燃料電池１０の温度変化について説明する。
時刻ｔ_２では、水滴排出判断手段５３によって、排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され（図７中ＳＴ１）、かつ、ウォータポンプ制御部５４１によって、燃料電池１０の温度が上昇する傾向にある（放熱量＜発熱量）と判断される（図７中ＳＴ３）。これにより、ウォータポンプ３２は間欠冷却運転される（図７中ＳＴ６）。

時刻ｔ_２〜ｔ_３では、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させることにより、燃料電池１０は間欠的に冷却される。この時刻ｔ_２〜ｔ_３では、燃料電池１０を間欠的に冷却しているので、燃料電池１０の温度は上昇と下降を繰り返す。また、燃料電池１０の温度は、破線に示す通常冷却運転を行った場合と比較して、高く保持される。

時刻ｔ_３では、ウォータポンプ制御部５４１によって、燃料電池流出路３１２を流れる冷媒の温度Ｔ２が電解質膜保護温度より大きいと判断され（図７中ＳＴ７）、かつ、発電電流が所定電流より大きいと判断される（図７中ＳＴ１）。これにより、ウォータポンプ３２は間欠冷却運転から通常冷却運転に切り替えられる。
時刻ｔ_３〜ｔ_４では、ウォータポンプ３２を通常冷却運転させることにより、燃料電池１０が冷却される。

時刻ｔ_４では、水滴排出判断手段５３によって、排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され（図７中ＳＴ１）、かつ、ウォータポンプ制御部５４１によって、燃料電池１０の温度が上昇する傾向にある（放熱量＜発熱量）と判断される（図７中ＳＴ３）。これにより、ウォータポンプ３２は再び間欠冷却運転される（図７中ＳＴ６）。
時刻ｔ_４以降は、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させることにより、燃料電池１０は間欠的に冷却される。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１） 燃料電池システム１に、水滴排出判断手段５３と、放熱量算出手段５２と、発熱量算出手段５１と、冷媒制御手段５４とを設けた。
これにより、水滴排出判断手段５３により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合、すなわち、燃料電池１０の内部に水滴が滞留するおそれがあると判断された場合には、燃料電池１０の放熱量および発熱量に基づいて冷却システム３０のウォータポンプ３２を制御し、燃料電池１０の温度を調整させることで結露の発生を抑制できる。すなわち、燃料電池１０の温度を調整して、燃料電池１０の内部で生成される水分の気化を促進することにより、この燃料電池１０の内部の水分を外部に排出させやすくでき、したがって、フラッディングを防止して発電を安定させることができる。
また、以上のように、結露の発生を抑制するためには、ウォータポンプ３２を制御して燃料電池１０の温度を調整するのみでよく、水素ガスや空気を余分に供給する必要がないため、燃料効率およびエネルギー効率の低下を防止できる。

（２） 水滴排出判断手段５３により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、放熱量と発熱量との差に基づいて、冷却システム３０のウォータポンプ３２を間欠冷却運転させる。また、水滴排出判断手段５３により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、ウォータポンプ３２を冷媒停止運転させる。
ここで、燃料電池１０の放熱量が発熱量よりも小さい場合には、燃料電池１０の温度は上昇する傾向にあり、また、燃料電池１０の放熱量が発熱量よりも大きい場合には、燃料電池１０の温度は下降する傾向にある。

これにより、燃料電池１０の温度が下降する傾向にある場合には、ウォータポンプ３２を冷媒停止運転させることにより、燃料電池１０の過剰な温度低下を防止でき、したがって、結露の発生を抑制できる。また、燃料電池１０の温度が上昇する傾向にある場合には、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させることにより、燃料電池１０の過剰な温度上昇を防止でき、したがって、結露の発生を抑制しながら燃料電池１０内部の電解質膜の過乾燥を防止できる。

＜第２実施形態＞
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図１０は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａのブロック図である。

第２実施形態の燃料電池システム１Ａでは、供給装置２０Ａおよび冷却システム３０Ａと、これら供給装置２０Ａおよび冷却システム３０Ａを制御する制御装置４０Ａの構成が、第１実施形態の燃料電池システム１と異なる。
具体的には、ウォータポンプ３２Ａは、コンプレッサ２１Ａと駆動軸が一体化されている点と、冷却システム３０Ａには、冷媒循環路３１の燃料電池流入路３１１から分岐して燃料電池１０を迂回する冷媒迂回路としての燃料電池迂回路３５Ａがさらに設けられる点と、が第１実施形態の燃料電池システム１と異なる。

また、燃料電池流入路３１１から燃料電池迂回路３５Ａに分岐する部分には、冷媒循環路３１または燃料電池迂回路３５Ａを切り替える冷媒流路切替手段としてのバイパス弁３６Ａが設けられている。このバイパス弁３６Ａは、制御装置４０Ａによって開閉することが可能となっており、これにより、冷媒を燃料電池内部流路１０１に流入させたり、冷媒を燃料電池迂回路３５Ａに流入させて燃料電池内部流路１０１から迂回させたりできる。

例えば、バイパス弁３６Ａを開くと、冷媒を、燃料電池内部流路１０１に流入させることができ、これにより、燃料電池１０を冷却できる。
また、バイパス弁３６Ａを閉じると、冷媒を、燃料電池迂回路３５Ａに流入させて燃料電池内部流路１０１から迂回させることができ、これにより、燃料電池１０の冷却を停止できる。

図１１は、制御装置４０Ａのブロック図である。
冷媒制御手段５４Ａは、バイパス弁制御部５４１Ａと、間欠冷却運転時間算出部５４２Ａと、を含んで構成され、燃料電池１０の状態に応じてバイパス弁３６Ａを開閉制御する。

第１実施形態では、制御装置４０の冷媒制御手段５４で、ウォータポンプ３２の回転数を制御して、ウォータポンプ３２を通常冷却運転または間欠冷却運転させることにより、燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量を調整していた。しかしながら、本実施形態では、ウォータポンプ３２Ａは、コンプレッサ２１Ａと駆動軸が一体化されているため、コンプレッサ２１Ａを駆動している状態では、ウォータポンプ３２Ａの回転数を制御できない。
このため本実施形態では、バイパス弁３６Ａを開閉制御して、冷媒を、燃料電池内部流路１０１に流入させたり、燃料電池内部流路１０１から迂回させたりすることにより、燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量を調整する。

すなわち、本実施形態において、バイパス弁３６Ａを開いて燃料電池内部流路１０１に連続的に冷媒を流入させることは、第１実施形態においてウォータポンプ３２を通常冷却運転することに対応する。
また、本実施形態において、バイパス弁３６Ａを開閉させて、冷媒を燃料電池内部流路１０１に流入させたり、燃料電池内部流路１０１から迂回させたりすることは、第１実施形態においてウォータポンプ３２を間欠冷却運転することに対応する。より具体的には、間欠冷却運転時間算出部５４２Ａによって算出される間欠冷却運転時間に基づいて、バイパス弁３６Ａを開いた状態と、バイパス弁３６Ａを閉じた状態とを、交互に繰り返すことは、第１実施形態においてウォータポンプ３２を間欠冷却運転させることに対応する。本実施形態では、この間欠冷却運転時間は、バイパス弁３６Ａを開いて冷媒を燃料電池内部流路１０１に流す冷却時間と、バイパス弁３６Ａを閉じて冷媒を燃料電池迂回路３５Ａに流す冷媒迂回時間と、で構成される。すなわち、本実施形態における間欠冷却運転時間の冷却時間および冷媒迂回時間は、第１実施形態における間欠冷却運転時間の運転時間および停止時間に対応する。

また、本実施形態において、バイパス弁３６Ａを閉じて、冷媒を燃料電池内部流路１０１から迂回させることは、第１実施形態においてウォータポンプ３２の運転を停止させることに対応する。

バイパス弁制御部５４１Ａは、水滴排出判断手段５３による判断と、発熱量算出手段５１によって算出された発熱量と、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量と、間欠冷却運転時間算出部５４２Ａによって算出された間欠冷却運転時間と、に基づいて、バイパス弁３６Ａを制御する。

バイパス弁制御部５４１Ａは、まず、水滴排出判断手段５３による判断に基づいて、バイパス弁３６Ａを開いた状態にするか、または、閉じた状態にする。
水滴排出判断手段５３によって、燃料電池１０から排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも多いと判断された場合には、バイパス弁制御部５４１Ａは、バイパス弁３６Ａを開いた状態にする。

また、水滴排出判断手段５３により、燃料電池１０から排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合には、バイパス弁制御部５４１Ａは、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量、および発熱量算出手段５１によって算出された発熱量に基づいて、バイパス弁３６Ａを開閉させるか、またはバイパス弁３６Ａを閉じた状態にする。

具体的には、バイパス弁制御部５４１Ａは、発熱量と放熱量との大きさを比較する。このバイパス弁制御部５４１Ａによる比較の結果、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、バイパス弁制御部５４１Ａは、バイパス弁３６Ａを閉じた状態にして冷媒を燃料電池内部流路１０１から迂回させる。また、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、間欠冷却運転時間算出部５４２Ａは、これら放熱量と発熱量との差に基づいて、間欠冷却運転時間（冷却時間および冷媒迂回時間）を算出し、バイパス弁制御部５４１Ａは、この間欠冷却運転時間に基づいてバイパス弁３６Ａを開閉して冷媒を間欠的に迂回させる。

ここで、間欠冷却運転時間算出部５４２Ａは、発熱量算出手段５１によって算出された発熱量と、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量との差に基づいて、間欠冷却運転時間（冷却時間および冷媒迂回時間）を算出する。
なお、この間欠冷却運転時間算出部５４２Ａが冷却時間および冷媒迂回時間を算出する手順は、第１実施形態の間欠冷却運転時間算出部５４２が運転時間および停止時間を算出する手順と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態によれば、上述の（１）および（２）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（３） 空気を供給するコンプレッサ２１Ａの駆動軸と、冷媒を圧送するウォータポンプ３２Ａの駆動軸とを一体化した。これにより、これらコンプレッサ２１Ａおよびウォータポンプ３２Ａを駆動するためのエネルギーの効率を上げることができ、かつ、燃料電池システム１Ａを小型化できる。
しかしながら、駆動軸を一体化することにより、コンプレッサ２１Ａとウォータポンプ３２Ａとは、同時に駆動されることとなるため、例えば、空気を供給している間は、ウォータポンプ３２Ａを間欠的に運転させたり停止させたりできない。

そこで、燃料電池１０を通って冷媒が循環する冷媒循環路３１と、この冷媒循環路３１から分岐して燃料電池１０を迂回する燃料電池迂回路３５Ａとを設け、さらに、これら冷媒循環路３１または燃料電池迂回路３５Ａを切り替えるバイパス弁３６Ａを設けた。
これにより、ウォータポンプ３２Ａが冷媒の圧送を継続した状態であっても、バイパス弁３６Ａにより、冷媒が流れる流路を冷媒循環路３１または燃料電池迂回路３５Ａに切り替えることによって、燃料電池１０を間欠的に冷却させたり、燃料電池１０の冷却を停止させたりできる。

また、この燃料電池システム１Ａは、水滴排出判断手段５３により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、放熱量と発熱量との差に基づいて、冷媒が燃料電池迂回路３５Ａを流れる冷媒迂回時間を算出し、この冷媒迂回時間に基づいてバイパス弁３６Ａを切り替えて冷媒を間欠的に迂回させる。一方、水滴排出判断手段５３により排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断され、かつ、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、バイパス弁３６Ａを切り替えて冷媒を迂回させる。
これにより、燃料電池１０の温度が下降する傾向にある場合には、冷媒を迂回させることにより、燃料電池１０の過剰な温度低下を防止でき、したがって、結露の発生を抑制できる。また、燃料電池１０の温度が上昇する傾向にある場合には、冷媒を間欠的に迂回させることにより、燃料電池１０の過剰な温度上昇を防止でき、したがって、結露の発生を抑制しながら燃料電池１０内部の電解質膜の過乾燥を防止できる。

＜第３実施形態＞
以下の第３実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図１２は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１Ｂのブロック図である。

第３実施形態の燃料電池システム１Ｂでは、供給装置２０Ｂおよび冷却システム３０Ｂと、これら供給装置２０Ｂおよび冷却システム３０Ｂを制御する制御装置４０Ｂの構成が、第１実施形態の燃料電池システム１と異なる。
具体的には、ウォータポンプ３２Ｂは、コンプレッサ２１Ｂと駆動軸が一体化されている点と、冷却システム３０Ｂの燃料電池流入路３１１には、この冷媒循環路３１を流れる冷媒の流量を調整可能な冷媒流量調整弁としての絞り弁３６Ｂがさらに設けられている点と、が第１実施形態の燃料電池システム１と異なる。
この絞り弁３６Ｂは、制御装置４０Ｂによって開度を調整することが可能となっており、これにより、燃料電池流入路３１１を流れる冷媒の流量、すなわち、燃料電池内部流路１０１に流入する冷媒の流量を調整することができる。

例えば、絞り弁３６Ｂを開状態にすると、冷媒を、燃料電池内部流路１０１に流入させることができ、これにより、燃料電池１０を冷却できる。
また、絞り弁３６Ｂを閉状態にすると、すなわち、絞り弁３６Ｂの開度を開状態における開度よりも小さくすると、燃料電池内部流路１０１に流入する冷媒の流量を制限することができる。すなわち、絞り弁３６Ｂを閉状態にすることにより、燃料電池内部流路１０１に流入する冷媒の流量を、開状態における流量よりも少なくでき、これにより、燃料電池の冷却を停止できる。

図１３は、制御装置４０Ｂのブロック図である。
冷媒制御手段５４Ｂは、絞り弁制御部５４１Ｂと、間欠冷却運転時間算出部５４２Ｂと、を含んで構成され、燃料電池１０の状態に応じて絞り弁３６Ｂの開度を調整する。

第１実施形態では、制御装置４０の冷媒制御手段５４で、ウォータポンプ３２の回転数を制御して、ウォータポンプ３２を通常冷却運転または間欠冷却運転させることにより、燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量を調整していた。しかしながら、本実施形態では、ウォータポンプ３２Ｂは、コンプレッサ２１Ｂと駆動軸が一体化されているため、コンプレッサ２１Ｂを駆動している状態では、ウォータポンプ３２Ｂの回転数を制御できない。
このため本実施形態では、絞り弁３６Ｂの開度を調整することにより、燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量を調整する。

すなわち、本実施形態において、絞り弁３６Ｂを開状態にして燃料電池内部流路１０１に連続的に冷媒を流入させることは、第１実施形態においてウォータポンプ３２を通常冷却運転することに対応する。
また、本実施形態において、絞り弁３６Ｂを開閉して、燃料電池内部流路１０１に流入する冷媒の流量を増減させることは、第１実施形態においてウォータポンプ３２を間欠冷却運転することに対応する。より具体的には、間欠冷却運転時間算出部５４２Ｂによって算出される間欠冷却運転時間に基づいて、絞り弁３６Ｂの開状態および閉状態を交互に繰り返すことは、ウォータポンプ３２を間欠冷却運転させることに対応する。本実施形態では、この間欠冷却運転時間は、絞り弁３６Ｂを開状態にして冷媒を燃料電池内部流路１０１に流す開時間と、絞り弁３６Ｂを閉状態にして冷媒の流量を制限する閉時間と、で構成される。すなわち、本実施形態における間欠冷却運転時間の開時間および閉時間は、第１実施形態における間欠冷却運転時間の運転時間および停止時間に対応する。

また、本実施形態において、絞り弁３６Ｂを閉状態にして、燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量を制限することは、第１実施形態においてウォータポンプ３２の運転を停止させることに対応する。

絞り弁制御部５４１Ｂは、水滴排出判断手段５３による判断と、発熱量算出手段５１によって算出された発熱量と、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量と、間欠冷却運転時間算出部５４２Ｂによって算出された間欠冷却運転時間と、に基づいて、絞り弁３６Ｂを制御する。

絞り弁制御部５４１Ｂは、まず、水滴排出判断手段５３による判断に基づいて、絞り弁３６Ｂを開状態にするか、または、閉状態にする。
水滴排出判断手段５３によって、燃料電池１０から排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも多いと判断された場合には、絞り弁制御部５４１Ｂは、絞り弁３６Ｂを開状態にする。

また、水滴排出判断手段５３により、燃料電池１０から排出可能な水滴量が生成される水滴量よりも少ないと判断された場合には、絞り弁制御部５４１Ｂは、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量、および発熱量算出手段５１によって算出された発熱量に基づいて、絞り弁３６Ｂを開閉させるか、または絞り弁３６Ｂを閉状態にする。

具体的には、絞り弁制御部５４１Ｂは、発熱量と放熱量との大きさを比較する。この絞り弁制御部５４１Ｂによる比較の結果、放熱量が発熱量よりも大きい場合には、絞り弁制御部５４１Ｂは、絞り弁３６Ｂを閉状態にして、燃料電池内部流路１０１を流れる冷媒の流量を制限する。また、放熱量が発熱量よりも小さい場合には、間欠冷却運転時間算出部５４２Ｂは、これら放熱量と発熱量との差に基づいて、間欠冷却運転時間（開時間および閉時間）を算出し、絞り弁制御部５４１Ｂは、この間欠冷却運転時間に基づいて絞り弁３６Ｂを開閉して冷媒の流量を増減させる。

ここで、間欠冷却運転時間算出部５４２Ｂは、発熱量算出手段５１によって算出された発熱量と、放熱量算出手段５２によって算出された放熱量との差に基づいて、間欠冷却運転時間（開時間および閉時間）を算出する。
なお、この間欠冷却運転時間算出部５４２Ｂが開時間および閉時間を算出する手順は、第１実施形態の間欠冷却運転時間算出部５４２が運転時間および停止時間を算出する手順と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態によれば、上述の（１）および（２）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（４） 燃料電池１０を通って冷媒が循環する冷媒循環路３１に、冷媒を圧送するウォータポンプ３２Ｂと、冷媒の流量を調整可能な絞り弁３６Ｂを設けた。
これにより、ウォータポンプ３２Ｂによる冷媒の圧送を継続しながら、絞り弁３６Ｂの開度を調整することにより、燃料電池１０を通る冷媒の流量を調整して、燃料電池１０を適度な温度に調整できる。

（５） 空気を供給するコンプレッサ２１Ｂの駆動軸と、冷媒を圧送するウォータポンプ３２Ｂの駆動軸とを一体化した。これにより、これらコンプレッサ２１Ｂおよびウォータポンプ３２Ｂを駆動するためのエネルギーの効率を上げることができ、かつ、燃料電池システム１Ｂを小型化できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、第３実施形態では、コンプレッサ２１Ｂとウォータポンプ３２Ｂとの駆動軸を一体化するとともに、冷媒循環路３１に絞り弁３６Ｂを設け、この絞り弁３６Ｂの開度を調整することによって、冷媒の流量を調整したが、これに限らない。
例えば、第１実施形態におけるウォータポンプ３２およびコンプレッサ２１のように、ウォータポンプおよびコンプレッサの駆動軸を一体化せずに、絞り弁を設け、これにより冷媒の流量を調整してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池の発電電力と発熱量との関係を示す図である。 前記実施形態に係る冷媒出入口の温度差と燃料電池の放熱量との関係を示す図である。 前記実施形態に係る発電電流と、温度および水分排出量と、の関係を示す図である。 前記実施形態に係る発電電流と、温度および水分排出量と、の関係を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。 前記実施形態に係る燃料電池の温度変化を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池の温度変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 発電電流と反応ガス出入口の圧力差との関係を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０，２０Ａ，２０Ｂ 供給装置
２１，２１Ａ，２１Ｂ コンプレッサ（酸化ガス供給装置）
３０，３０Ａ，３０Ｂ 冷却システム（冷媒循環装置）
３１ 冷媒循環路（冷媒循環路）
１０１ 燃料電池内部流路
３１１ 燃料電池流入路
３１２ 燃料電池流出路
３３１ ラジエタ内部流路
３１３ ラジエタバイパス流路
３２，３２Ａ，３２Ｂ ウォータポンプ（循環機構）
３５Ａ 燃料電池迂回路（冷媒迂回路）
３６Ａ バイパス弁（冷媒流路切替手段）
３６Ｂ 絞り弁（冷媒流量調整弁）
４０，４０Ａ，４０Ｂ 制御装置
５１ 発熱量算出手段（発熱量算出手段）
５２ 放熱量算出手段（放熱量算出手段）
５３ 水滴排出判断手段（水滴排出判断手段）
５４，５４Ａ，５４Ｂ 冷媒制御手段（冷媒制御手段）
５４１ ウォータポンプ制御部
５４１Ａ バイパス弁制御部
５４１Ｂ 絞り弁制御部
５４２，５４２Ａ，５４２Ｂ 間欠冷却運転時間算出部

Claims (5)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
   当該燃料電池を通して冷媒を循環させる冷媒循環装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の外部に排出可能な水滴量が当該燃料電池の内部で生成される水滴量より少ないか否かを判断する水滴排出判断手段と、
   前記燃料電池からの放熱量を算出する放熱量算出手段と、
   前記燃料電池の発熱量を算出する発熱量算出手段と、
   前記水滴排出判断手段により、前記排出可能な水滴量が前記生成される水滴量よりも少ないと判断された場合に、前記放熱量および前記発熱量に基づいて、前記冷媒循環装置を制御する冷媒制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷媒制御手段は、
   前記放熱量が前記発熱量よりも小さい場合には、これら放熱量と発熱量との差に基づいて、前記冷媒循環装置の運転時間および停止時間を算出し、これら運転時間および停止時間に基づいて前記冷媒循環装置を間欠冷却運転させ、
   前記放熱量が前記発熱量よりも大きい場合には、前記冷媒循環装置の運転を停止させる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. 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置をさらに備え、
   前記冷媒循環装置は、前記燃料電池を通って冷媒が循環する冷媒循環路と、前記冷媒循環路から分岐して前記燃料電池を迂回する冷媒迂回路と、前記冷媒循環路内の冷媒を圧送する循環機構と、前記冷媒循環路または前記冷媒迂回路を切り替える冷媒流路切替手段と、を備え、
   前記循環機構は、前記酸化ガス供給装置と駆動軸が一体化されており、
   前記冷媒制御手段は、
   前記放熱量が前記発熱量よりも小さい場合には、前記放熱量と前記発熱量との差に基づいて、冷媒を前記冷媒迂回路に流す冷媒迂回時間を算出し、この冷媒迂回時間に基づいて前記冷媒流路切替手段を切り替えて冷媒を間欠的に迂回させ、
   前記放熱量が前記発熱量よりも大きい場合には、前記冷媒流路切替手段を切り替えて冷媒を迂回させる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. 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置をさらに備え、
   前記冷媒循環装置は、前記燃料電池を通って冷媒が循環する冷媒循環路と、前記冷媒循環路内の冷媒を圧送する循環機構と、前記冷媒循環路に設けられ冷媒の流量を調整可能な冷媒流量調整弁と、を備え、
   前記冷媒制御手段は、前記放熱量および前記発熱量に基づいて、前記冷媒流量調整弁の開度を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記循環機構は、前記酸化ガス供給装置と駆動軸が一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
   

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