JP2010218876A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの発電停止の原因がドライアップであるかフラッディングであるかどうかにかかわらず、スタックを再起動させるのに有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、スタック１とアノード通路２とカソード通路３と制御部５とを有する。制御部５は、スタック１の発電運転が電圧低下で停止したとき、フラッディング用起動処理モードよりもドライアップ用起動処理モードを優先させ、ドライアップ用起動処理モードでスタック１の再起動を試みる。制御部５は、ドライアップ用起動処理モードにおいてスタック１が再起動しないとき、フラッディング用起動処理モードを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明はスタックの内部のフラッディングおよびドライアップのおそれがある燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有するスタックと、スタックのアノードにアノード流体を供給するアノード通路と、スタックのカソードにカソード流体を供給するカソード通路と、スタックの発電運転を制御する制御部とを有する（特許文献１〜４）。特許文献１では、カソード側から吐出される湿潤状態のカソードガスをアノードに供給してアノードを加湿させることにしている。特許文献２では、スタックの起動時に、スタックの固体高分子膜が乾燥状態にあるときには、スタックが湿潤状態となるように加湿器を制御しつつ起動させることにしている。

特開２００１−２１６９８８号公報 特開２００１−３３２２８０号公報 特開２００８−１１２６４７号公報 特開２００８−１３０４４５号公報

上記した燃料電池システムによれば、スタックの発電運転が停止したとき、停止から所定時間経過後にスタックを再起動させることにしている、しかし、スタックを再起動させることができない場合がある。例えば、スタックのドライアップ（過剰乾燥）が原因でスタックの発電電圧が低下し、これが要因でスタックの発電運転が停止されたときには、スタックの内部を乾燥方向に移行させるパージガスをスタックの内部に供給した後においてスタックの再起動を試みると、スタックの内部の乾燥度が更に進行するため、スタックが過剰な乾燥状態となり、スタックの再起動が困難となる問題がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、スタックの発電停止の原因がドライアップであるかフラッディングであるかどうかにかかわらず、スタックを再起動させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明者は、発電運転しているスタックが停止する要因として、スタックの内部のフラッディングとドライアップとがあることに着目した。フラッディングは、スタックの内部の流路面積が過剰の水で狭まり、反応ガスが流れにくくなることを意味する。ドライアップは、スタックの内部が過剰に乾燥し、電解質膜のイオン伝導率（プロトン伝導率）が過剰に低下することを意味する。

もし、フラッディングでスタックの発電電圧が低下し、これが原因でスタックの発電運転が停止したときには、スタックの内部を乾燥方向に移行させるパージガスをスタックの内部に供給し、スタックの内部に滞在する過剰の水を吐出させるパージ処理を実行すれば、スタックの内部が適度な湿潤状態となり、スタックを再起動させたとき、スタックを再起動させることができる。

しかし、スタックの内部のドライアップでスタックの発電電圧が低下し、これが原因で発電運転が停止されたときには、スタックの再起動時に、スタックの内部を乾燥方向に移行させるパージガスをスタックの内部に供給させてスタックの内部の水分を吐出させるパージ処理を実行すれば、スタックの内部の乾燥状態が更に進行し、スタックの内部が過剰乾燥となってしまい、スタックの再起動が困難となるおそれがあることに本発明者は着目し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、（ｉ）アノードおよびカソードを有するスタックと、スタックのアノードにアノード流体を供給するアノード通路と、スタックのカソードにカソード流体を供給するカソード通路と、スタックの発電運転を制御する制御部とを具備しており、（ｉｉ）制御部は、スタックのカソードおよび／またはアノードにパージガスを供給してスタックの内部に滞在する水を吐出させるパージ処理を実行し、その後、スタックにアノード流体およびカソード流体を供給してスタックを起動させるフラッディング用起動処理モードと、
フラッディング用起動処理モードよりもスタックの内部の乾燥を抑えつつ、スタックにアノード流体およびカソード流体を供給してスタックを起動させるドライアップ用起動処理モードとを実行可能であり、
（ｉｉｉ）制御部は、スタックの発電運転が電圧低下で停止したとき、フラッディング用起動処理モードよりもドライアップ用起動処理モードを優先させ、ドライアップ用起動処理モードでスタックの再起動を試み、ドライアップ用起動処理モードにおいてスタックが再起動しないとき、フラッディング用起動処理モードを実行する。

本発明によれば、カソード流体は、スタックのカソードに供給される流体の意味であり、酸素ガスまたは酸素含有ガス（例えば空気）が挙げられる。アノード流体は、スタックのアノードに供給される流体の意味であり、水素ガスまたは水素含有ガスが挙げられる。パージガスとしては、カソードガスと同じガス（空気等）、窒素ガス等が挙げられ、要するに、スタックの内部に滞在している過剰の液相状または気相状の水をスタックの外部に吐出させ得るガスであれば良い。

ところで、スタックの電圧低下が原因でスタックの発電運転が停止したとき、電圧低下の原因がスタックの内部のフラッディングであるか、スタックの内部のドライアップであるか必ずしも明確ではない。そこで、制御部は、スタックの内部が過剰の乾燥状態になることを抑制することを優先する。すなわち、制御部は、スタックの内部を乾燥方向に移行させるフラッディング用起動処理モードよりも、フラッディング用起動処理モードよりも乾燥させる力が弱いドライアップ用起動処理モードを優先させる。

従って、制御部は、まず、ドライアップ用起動処理モードでスタックの再起動を試みる。すなわち、スタックの内部の乾燥を抑えつつ、アノード流体およびカソード流体をスタックに供給してスタックを再起動させる。この場合に、スタックが起動すれば、問題がない。仮にスタックが再起動しない場合であっても、スタックの内部の乾燥が抑えられているため、スタックの内部が過剰な乾燥状態になることが回避される。

上記したドライアップ用起動処理モードにおいてスタックが再起動しないとき、スタックの内部はフラッディング状態であると推定される。そこで制御部は、ドライアップ用起動処理モードではなく、フラッディング用起動処理モードを実行し、スタックの内部を乾燥方向に移行させるパージガスをスタックの内部に供給させる。これによりスタックの内部に過剰に滞在する水をスタックの外部に吐出させる。このため、スタックの内部は適度な湿潤状態となり、スタックの再起動は容易となる。

スタックの内部が過剰に乾燥している時における起動処理を前提とするドライアップ用起動処理モードにおいては、スタックの内部の乾燥が更に進行することは、好ましくない。そこで、本発明の一視点によれば、好ましくは、制御部は、ドライアップ用起動処理モードにおいて、スタックにパージガスを供給するパージ処理を実行することなく、スタックにアノード流体およびカソード流体を供給してスタックを起動させる。この場合、スタックの内部を乾燥方向に移行させるパージガスがスタックの内部に供給されないため、スタックの内部が過剰乾燥とされることが抑制される。

本発明の一視点によれば、好ましくは、フラッディング用起動処理モードは、パージガスをスタックの内部に供給するパージ操作と、パージ操作後にスタックを再起動させる操作とを繰り返し実行し、スタックが起動しない限り、パージガスをスタックの内部に供給する時間を長くする。これによりスタックの内部に過剰の水が残留しているときであっても、スタックの内部が適度な湿潤状態となり、スタックが再起動可能となる。

本発明の一視点によれば、好ましくは、カソード通路は、カソードガスを加湿させる加湿器と、加湿器を迂回する迂回路とを有しており、制御部は、フラッディング用起動処理モードにおいて、加湿器を迂回して迂回路を通過するカソードガスをパージガスとしてスタックのカソードに供給する。フラッディング用起動処理モードにおいては、パージガスの湿度は低い方が好ましい。このため加湿器を迂回させた乾燥気味のカソードガスをスタックの内部に供給させる。

本発明の一視点によれば、好ましくは、カソード通路は、カソードガスを加湿させる加湿器と、加湿器を迂回する迂回路とを有しており、制御部は、ドライアップ用起動処理モードにおいて、加湿器を迂回させることなく加湿器を通過したカソードガスをパージガスとしてスタックのカソードに供給する。ドライアップ用起動処理モードにおいては、パージガスはウェットでも良い。そこで、加湿器を通過させたウェットなパージガスをスタックの内部に供給させる。

本発明によれば、スタックの発電電圧の低下によりスタックの発電運転が停止されたとき、スタックの発電電圧の低下の原因がスタックの内部のドライアップであるか、スタックの内部のフラッディングであるかどうかにかかわらず、発電運転を停止したスタックを再起動させるのに有利な燃料電池システムを提供することができる。

実施形態１に係り、燃料電池システムの配管図である。 実施形態２に係り、制御部が実行するフローチャートである。 実施形態４に係り、燃料電池システムの配管図である。

（実施形態１）
本実施形態に係る燃料電池システムは、定置用、車両搭載用として利用できる。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、アノード１０（燃料極）、カソード１１（酸化剤極）および電解質層１２を有する膜電極接合体を有するスタック１と、アノード流体としてのアノードガスをスタック１のアノード１０に供給するアノード通路２と、カソード流体としてのカソードガスをスタック１のカソード１１に供給するカソード通路３、スタック１の発電運転を制御する制御部５とを有する。カソードガスは、スタック１のカソード１１に供給されるガスを意味し、酸素含有ガスである空気を採用できる。アノードガスは、スタック１のアノード１０に供給されるガスを意味する。アノードガスは、水素ガスまたは水素含有ガスが挙げられる。膜電極接合体は平板タイプでも良いし、チューブタイプでも良い。

カソード通路３には、カソードガスをスタック１のカソード１１に向けて搬送させる搬送源３０けられている。搬送源３０として、ファン、ブロア、ポンプ、コンプレッサ等が挙げられる。アノード通路２の先端にはアノードガス供給源２０が繋がれている。アノードガス供給源２０としては、アノードガス（アノード流体）を貯蔵するタンク、あるいは、炭化水素系またはアルコール系等の燃料原料を水蒸気改質反応等の改質反応により改質させてアノードガス（アノード流体）を生成させる改質器が挙げられる。

カソード通路３は、発電反応前のカソードガスがカソード１１の入口１１ｉに向かう往通路３１と、カソード１１の出口１１ｐから排出された発電反応後のカソードオフガスを吐出させる復通路３４をもつ。発電反応後のカソードオフガスは、発電反応前のカソードガスよりも高温高湿である。往通路３１には、カソードガスをカソード１１の入口１１ｉに供給させる入口バルブ３２が設けられている。復通路３４には、カソード１１の出口１１ｐからカソードオフガスを排出させる出口バルブ３５が設けられている。カソード通路３の往通路３１は、カソードガスを加湿部３６ａで加湿させる加湿器３６と、加湿器３６の加湿部３６ａを迂回する第１迂回路３７と、加湿部３６ａを流れるカソードガスの流量と第１迂回路３７を流れるカソードガスの流量とを調整する第１調整バルブ３８とを有する。復通路３４は、加湿器３６の吸湿部３６ｃを迂回する第２迂回路４７と、吸湿部３６ｃを流れるカソードオフガスの流量と第２迂回路４７を流れるカソードオフガスの流量とを調整する第２調整バルブ４８とを有する。

アノード通路２は、発電反応前のアノードガスがアノード１０に向かう往通路２１と、アノード１０から排出された発電反応後のアノードオフガスを吐出させる復通路２４をもつ。往通路２１には、アノードガスをアノード１０の入口１０ｉに供給させる入口バルブ２２が設けられている。復通路２４には、アノードオフガスをアノード１０の出口１０ｐから排出させる出口バルブ２５が設けられている。

前述から理解できるように、加湿器３６は、カソードガスが流れるカソード通路３の往通路３１に配置された加湿部３６ａと、カソードオフガスが流れる復通路３４に配置された吸湿部３６ｃと、吸湿部３６ｃで吸湿させた水分および熱を加湿部３６ａに移動させる水分保持膜３６ｄとをもつ。スタック１のカソード１１の出口１１ｐから排出された直後のカソードオフガスは、気相状または液相状の水分を含有しており、スタック１のカソード１１に供給される前のカソードガスよりも高温高湿である。カソードオフガスに含まれている水分および熱は、吸湿部３６ｃに吸湿される。吸湿部３６ｃの水分および熱は膜３６ｄを介して加湿部３６ａに移動するので、加湿部３６ａを流れるカソードガスを加湿および加熱させる。加湿および加熱されたカソードガスは、スタック１の入口１１ｉからカソード１１に供給される。

スタック１の過剰高温化を抑える冷却系６が設けられている。冷却系６は、スタック１の内部を通過する冷媒通路６０と、冷媒通路６０の冷媒を循環させる冷媒搬送源６１とを有する。冷媒搬送源６１としてはポンプが例示される。冷媒としては冷却水、冷却空気、冷却ミスト等が挙げられる。スタック１の温度を測定する温度センサ１６が設けられている。スタック１の温度は、冷媒通路６０の出口側の冷媒の温度とすることができる。温度センサ１６の温度信号は制御部５に入力される。

制御部５は、ＣＰＵ５ｃと記憶要素５ｄとを有する。制御部５は各バルブ２２，２５，３２，３５，３８，４８、冷媒搬送源６１等を制御する。制御部５の記憶要素５ｄには、スタック１の内部が過剰乾燥している状態においてスタック１を起動させるためのドライアップ用起動処理モードを実行する制御則が格納されており、且つ、スタック１の内部が過剰に湿潤している状態においてスタック１を起動させるフラッディング用起動処理モードを実行する制御則が格納されている。

本実施形態によれば、スタック１の発電運転時には、アノードガスがスタック１のアノード１０に供給され、且つ、カソードガスがスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電運転される。スタック１の発電運転においてなんらかの事情でスタック１の電圧が低下し、これに基づいてスタック１の発電運転が停止されることがある。スタック１の発電運転が電圧低下で停止したとき、電圧低下の原因がスタック１の内部のフラッディングであるか、スタック１の内部のドライアップであるか必ずしも明確ではない。

ここで、万一、スタック１の発電電圧の低下の原因がスタック１の内部のドライアップが原因であったにもかかわらず、スタック１の内部の乾燥を促進させるフラッディング用起動処理モードを実施してしまうと、すなわち、スタック１の内部を乾燥させる機能を有するパージガスをスタック１の内部に供給してしまうと、スタック１の内部が更に過剰乾燥となることが考えられる。この用に過剰に乾燥されたスタック１の再起動は困難となるおそれがある。

そこで、スタック１が何らかの原因で電圧低下し、スタック１の発電運転が停止されたときには、制御部５は、スタック１の内部が過剰乾燥状態になることを抑制すべく、スタック１の内部の乾燥を促進させるフラッディング用起動処理モードよりも、スタック１の内部の乾燥を促進させないドライアップ用起動処理モードを優先させる。

すなわち、制御部５は、まず、スタック１の内部の乾燥を促進させるモードであるフラッディング用起動処理モードを実施するのではなく、スタック１の内部の乾燥を促進させないモードであるドライアップ用起動処理モードを優先的に実施する。その状態でスタック１の再起動を試みる。ここで、ドライアップ用起動処理モードでは、スタック１の内部の乾燥を促進させる機能をもつパージガス（例えば乾燥状態のガス）をスタック１の内部に供給させることなく、反応ガスであるアノードガスをスタック１のアノード１０に供給すると共に、反応ガスであるカソードガスをスタック１のカソード１１に供給してスタック１を再起動させる。この場合、スタック１が再起動すれば、問題がない。

このようにドライアップ用起動処理モードでは、スタック１の内部の乾燥を促進させる機能をもつパージガスがスタック１の内部に供給されないため、スタック１の内部が過剰乾燥の状態になることが抑制される。

しかし上記したドライアップ用起動処理モードを実施してスタック１の再起動を試みたとしても、スタック１が実際に再起動しないときがある。この場合には、スタック１の発電電圧の低下の要因は、スタック１の内部の過剰乾燥（ドライアップ）ではなく、スタック１の内部の過剰湿潤（フラッディング）であると推定される。

そこで制御部５は、スタック１の内部を乾燥方向に移行させるフラッディング用起動処理モードを実行し、スタック１の内部に滞在している過剰の水を吐出させる機能を有するパージガスをスタック１のカソード１１の内部に供給し、スタック１のカソード１１の内部に過剰に滞在している水をスタック１の外部に吐出させることを試みる。これによりスタック１のカソード１１の内部における湿潤度を低下させ、スタック１のカソード１１の内部を適度な湿潤状態とさせる。この結果、スタック１のカソード１１は、過剰な湿潤状態から適度な湿潤状態に移行する。このためスタック１を再起動させ得る確率が高まる。

本実施形態によれば、上記したようにフラッディング用起動処理モードは、スタック１の内部の過剰湿潤を抑制する。このため、フラッディング用起動処理モードにおいては、制御部５は、加湿器３６の加湿部３６ａを迂回して第１迂回路３７を通過するカソードガス（相対湿度および絶対湿度が相対的に低い乾燥状態のガス）を、パージガスとしてスタック１のカソード１１に供給することが好ましい。このカソードガス（空気）は加湿部３６ａを通過していないため、ウェット状態ではなく、加湿部３６ａで加湿されたカソードガス、スタック１のカソード１１の出口１１ｐから排出されたカソードオフガス等に比較して、ドライ状態である。このようなドライ状態のカソードガス（空気）がパージガスとして第１迂回路３７を流れ、加湿器３６の加湿部３６ａを迂回してスタック１のカソード１１の入口１１ｉに供給されるため、スタック１のカソード１１の過剰な湿潤状態は抑えられ、ひいてはスタック１の内部全体の過剰な湿潤状態は抑えられる。このためスタック１を起動運転させるのに適する。

（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。スタック１が発電運転しているとき、発電電圧が何らかの原因で低下し、これが原因でスタック１の発電運転が停止されるときがある。このようにスタック１の発電運転が停止された場合、スタック１を再起動させる場合において、制御部５が実行する処理について説明する。

まず、時間等の読み込みを行い（ステップＳ１００）、スタック１の発電運転が停止された時刻から所定時間Ｔ１経過しているか否か判定する（ステップＳ１０２）。スタック１の発電運転の停止から時間が経過すれば、スタック１の内部が冷却されるので、スタック１の内部に残留しているカソードガスおよび／またはアノードガスが冷却され、スタック１の内部において凝縮水を生成させ、スタック１の内部の湿分を高めることが考えられる。所定時間Ｔ１については、スタック１が冷却してスタック１の内部に凝縮水が適量生成されるような時間として設定することができる。所定時間Ｔ１は、燃料電池システムの用途、種類、加湿器３６の温度などを考慮して適宜選択され、例えば、１０秒〜３時間の範囲内で設定できる。この場合、万一、スタック１の内部の湿分が過剰に増加したとしても、フラッディング用起動処理におけるパージ処理により対処できるため、実害はない。なお、所定時間Ｔ１が経過したとしても、加湿器３６の温度は常温域よりも高温であっても良いし、加湿器３６の温度が常温域であっても良い。

スタック１の運転停止の時刻から所定時間Ｔ１経過していれば（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、スタック１を再起動させる指示を出力する（ステップＳ１０４）。この場合、制御部５は、スタック１の内部の乾燥を促進させるフラッディング用起動処理モードよりも、スタック１の内部の乾燥を促進させないドライアップ用起動処理モードを優先させる。すなわち、制御部５は、まず、ドライアップ用起動処理モードを実施してスタック１の再起動を試みる（ステップＳ１０６）。このモードでは、スタック１の内部を乾燥方向に移行させるパージガスをスタック１の内部に供給させない。このモードでは、反応ガスであるアノードガスをスタック１のアノード１０に供給し、且つ、反応ガスであるカソードガスをスタック１のカソード１１に供給し、スタック１の再起動を試みる。この場合、第１調整バルブ３８を制御し、カソードガスを加湿部３６ａに供給し、加湿部３６ａを通過させたカソードガスを反応ガスとしてカソード１１に供給させることが好ましい。その理由としては、発電運転が停止された時刻から時間があまり経過していない限り、加湿器３６の加湿部３６ａはまだ常温域よりも高温であり、加湿部３６ａは加湿能力を有すると考えられるためである。

ここで、アノードガスをスタック１のアノード１０に供給するためには、入口バルブ２２および出口バルブ２５を開放させる。カソードガスをスタック１のカソード１１に供給するためには、搬送源３０を作動させつつ、入口バルブ３２および出口バルブ３５を開放させる。

上記したようにスタック１の再起動を試みたら、次に、スタック１が発電可能であるか否か判定する（ステップＳ１０８）。スタック１が発電可能か否かについて、スタック１を電力負荷に接続させた状態で、電力負荷に電流Ｉ１を流しつつスタック１の発電電圧が閾値電圧Ｖ１以上であれば、スタック１は発電可能とみなす。閾値電圧Ｖ１未満であれば、発電不可能と判定する。

スタック１が発電可能であれば、通常の発電モードに移行し（ステップＳ１４０）、アノードガスを継続的にスタック１のアノード１０に供給し、カソードガスを継続的にスタック１のカソード１１に供給し、スタック１の発電運転を継続させる。

しかし上記したようにドライアップ用起動処理モードを実施してスタック１の再起動を試みたとしても、スタック１が実際に再起動しないときには（ステップＳ１０８のＮＯ）、スタック１の発電を停止させる指令を出力する（ステップＳ１１０）。従って、アノードガスおよびカソードガスのスタック１への供給は、停止される。この場合、スタック１の発電運転の停止の要因は、スタック１の内部のドライアップではなく、スタック１の内部のフラッディング（スタック１の内部の過剰な湿潤状態）であると推定される。

そこで制御部５は、第１回目のフラッディング用起動処理モードを実行し、カソードガスをパージガスとしてスタック１のカソード１１の内部に所定時間Ｔ２供給することにより、スタック１の再起動を試みる（ステップＳ１１２）。このようなフラッディング用起動処理モードでは、スタック１の内部を乾燥方向に移行させるパージガスをスタック１の内部に供給することにより、スタック１の内部に過剰に滞在している水をスタック１の外部に吐出させてスタック１の内部の湿潤度を低下させた状態で、スタック１の再起動を試みる。

次に、スタック１が発電可能であるか判定する（ステップＳ１１４）。スタック１が発電可能か否かについて、スタック１を電力負荷に接続させた状態で、電力負荷に電流Ｉ２を流しつつスタック１の発電電圧が閾値電圧Ｖ２以上であれば、スタック１は発電可能とみなす。

スタック１が発電可能であれば（ステップＳ１１４のＹＥＳ）、通常の発電モードに移行する（ステップＳ１４０）。

しかし上記したようにスタック１の再起動を試みたとしても、スタック１が実際に再起動しないときには（ステップＳ１１４のＮＯ）、スタック１の発電を停止させる指令を出力する（ステップＳ１１６）。この場合、スタック１の内部過剰なフラッディング状態（スタック１の内部の過剰な湿潤状態）が解消されていないと推定される。そこで制御部５は、スタック１の内部の乾燥を進行させる第２回目のフラッディング用起動処理モードを実行し、カソードガスをパージガスとしてスタック１の内部に所定時間Ｔ３供給し、これによりスタック１の内部に滞在している水をスタック１の外部に吐出させ、スタック１の内部の湿潤度を低下させた状態で、スタック１を再起動させる信号を出力し、再起動を試みる（ステップＳ１１８）。

次に、スタック１が発電可能であるか判定する（ステップＳ１２０）。スタック１が発電可能か否かについて、スタック１を電力負荷に接続させた状態で、電力負荷に電流Ｉ３を流しつつスタック１の発電電圧が閾値電圧Ｖ３以上であれば、スタック１は発電可能とみなす。スタック１が発電可能であれば（ステップＳ１２０のＹＥＳ）、通常の発電モードに移行する（ステップＳ１４０）。

しかし上記したようにスタック１の再起動を試みたとしても、スタック１が実際に再起動しないときには（ステップＳ１２０のＮＯ）、スタック１の発電を停止させる指令を出力する（ステップＳ１２２）。この場合、スタック１の内部は、まだ過剰なフラッディング状態（スタック１の内部の過剰な湿潤状態）が解消されていない推定される。

そこで制御部５は、スタック１の内部を乾燥方向に移行させる第３回目のフラッディング用起動処理モードを実行し、パージガスをスタック１の内部に所定時間Ｔ４供給させ、これによりスタック１の内部に滞在している水をスタック１の外部に吐出させ、スタック１の内部の湿潤度を低下させた後、スタック１を再起動させる信号を出力し、再起動を試みる（ステップＳ１２４）。

ステップＳ１２４まで実行されると、パージガスをスタック１の内部に供給している合計時間は、時間Ｔ２，時間Ｔ３，時間Ｔ４を加算するため、長い時間となる。

次にスタック１が発電可否であるか判定する（ステップＳ１２６）。スタック１が発電可能か否かについて、スタック１を電力負荷に接続した状態で、電力負荷に電流Ｉ４を流しつつスタック１の発電電圧が閾値電圧Ｖ４以上であれば、スタック１は発電可能とみなす。スタック１が発電可能であれば（ステップＳ１２６のＹＥＳ）、通常の発電モードに移行する（ステップＳ１４０）。

上記したようにスタック１の再起動を試みたとしても、スタック１が実際に再起動しないときには（ステップＳ１２６のＮＯ）、スタック１の発電を停止させる指令を出力し（ステップＳ１２８）、メンテナンス者またはユーザに警告信号を出力し（ステップＳ１３０）、メインルーチンにリターンする。

上記した所定時間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、燃料電池システムの用途、種類などに応じて適宜選択され、例えば、１０秒〜３時間の範囲内、３０秒〜６０分間の範囲内で設定できる。上記した所定時間Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４については、Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４の関係とすることができる。この場合、合計されたパージ処理時間が長くなるため、スタック１の内部に滞在している水が排出され易くなり、スタック１の内部が過剰な湿潤状態であっても対処できる。なお、場合によっては、Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔ４の関係、あるいは、Ｔ２≒Ｔ３≒Ｔ４の関係とすることができる。

本実施形態によれば、スタック１の発電可能であるかの基準である閾値電圧については、Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４については、Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４の関係としてもよい。あるいは、Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４の関係としても良い。この場合、スタック１のカソード１１に対するパージ処理時間が長くなるため、スタック１が発電可能であると判定され易くなる。あるいは、Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４の関係としても良い。

本実施形態によれば、前述したようにスタック１の発電運転が停止された時刻から所定時間Ｔ１経過していれば、ステップＳ１０４において、スタック１を再起動させる指示を出力するが、これに限らず、スタック１の温度を測定する温度センサ１６の温度が所定温度ＴＷ以下になったら、スタック１を再起動させる指示を出力することにしても良い。スタック１の温度が所定温度ＴＷ以下になれば、スタック１の内部が冷却されているので、スタック１の内部に残留しているカソードガスおよび／またはアノードガスが冷却され、スタック１の内部において凝縮水を生成させ、スタック１の内部の電解質層１２やアノード１０，カソード１１の湿分を高めることができる。この場合、ドライアップが原因でスタック１の発電運転が停止したとしても、スタック１の再起動が可能となる確率が増加する。所定温度ＴＷとしては、スタック１が冷却してスタック１の内部に凝縮水が適量生成されるような温度として設定することができる。所定温度ＴＷは、燃料電池システムの用途、種類などを考慮して適宜選択される。

（実施形態３）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有するため、図１を準用する。前述したように、スタック１が発電運転しているとき、なんらかの原因で、スタック１の電圧が低下し、これに基づいてスタック１の発電運転が停止されることがある。スタック１の発電運転が電圧低下で停止したとき、電圧低下の原因がスタック１の内部のフラッディングであるか、スタック１の内部のドライアップであるかについては、必ずしも明確ではない。

発電運転が停止された時刻からの経過時間が短時間であり、加湿器２５の加湿部３６ａがまだ完全に冷えておらず、水分保持膜３６ｄが水分を保持しており、加湿部３６ａが暖かいときには、加湿部３６ａはカソードガスを加湿させる加湿能力を有している。この場合、加湿部３６ａを通過するカソードガスを加湿部３６ａで加湿させることが可能となる。なお、所定時間Ｔ１は、燃料電池システムの用途、種類などに応じて適宜選択される。

上記した場合、発電運転が停止されたときには、他の実施形態と同様に、制御部５は、スタック１の内部の乾燥を促進させるフラッディング用起動処理モードよりも、スタック１の内部の乾燥を促進させないドライアップ用起動処理モードを優先させて実施する。

すなわち、スタック１の電圧低下が原因で発電運転が停止されたときには、制御部５は、まず、スタック１の内部のドライアップが原因で発電電圧が低下したと推定する。そして、制御部５は、スタック１の内部の乾燥を促進させないモードであるドライアップ用起動処理モードを優先的に実施し、スタック１の再起動を試みる。

ここで、ドライアップ用起動処理モードでは、第１調整バルブ３８を作動させ、パージガスとして機能するカソードガスを加湿器３６の加湿部３６ａに所定時間Ｔ９供給して加湿させる。このように加湿部３６ａで加湿させたカソードガス（空気）をスタック１のカソード１１の内部に所定時間Ｔ９供給させる。これによりスタック１のカソード１１に湿分を与え、カソード１１の過剰乾燥を是正する。その後、反応ガスであるアノードガスをスタック１のアノード１０に供給すると共に、反応ガスであるカソードガスをスタック１のカソード１１に供給してスタック１を再起動させる。この場合、スタック１が再起動すれば、問題がない。なお、所定時間Ｔ９は燃料電池システムの用途および種類等に応じて適宜選択される。

このように本実施形態に係るドライアップ用起動処理モードでは、スタック１の内部に湿度を与えるために加湿部３６ａで加湿させたカソードガスをパージガスとしてスタック１の内部に供給する。このため、スタック１の起動開始時において、スタック１の内部が過剰乾燥状態になることが抑制される。

しかし上記したドライアップ用起動処理モードを実施してスタック１の再起動を試みたとしても、スタック１が実際に再起動しないときがある。この場合、スタック１の発電運転の停止の要因は、スタック１の内部のドライアップではなく、スタック１の内部のフラッディング（スタック１の内部の過剰な湿潤状態）であると推定される。

そこで制御部５は、スタック１の内部を乾燥方向に移行させるフラッディング用起動処理モードを実行し、カソードガス（空気）をパージガスとしてスタック１の内部に供給し、スタック１の内部に過剰に滞在している水をスタック１の外部に吐出させる。このようにスタック１のカソード１１の内部の湿潤度を低下させた状態で、スタック１を再起動させる。

（実施形態４）
図３は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。カソード通路３は、カソードガスがカソード１１に向かう往通路３１と、カソード１１から排出されたカソードオフガスを吐出させる復通路３４とをもつ。カソード通路３の往通路３１には迂回路が設けられていない。カソード通路３の復通路３４には迂回路が設けられていない。ドライアップ用起動処理モード、フラッディング用起動処理モードの双方ともに、カソードガスを加湿部３６ａを介してカソード１１に供給する。

第１回目の再起動時には加湿器３６の内部（特に、水分保持膜３６ｄ）に水分が残留しているため、ドライアップ用起動処理モードが実行される。第２回目以降の再起動については、前段階の再起動時よりも加湿器３６の内部が乾燥状態となっている。このため、前の再起動時よりも乾燥したカソードガスが供給され、フラッディング用起動処理モードが実行される（発電していないためカソードオフガスに含まれる水分は限定的である）。

（実施形態５）
本実施形態は実施形態２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。図２に示す実施形態２によれば、ドライアップ用起動処理モードでスタック１が再起動しないときには、制御部５は、複数回のフラッディング用起動処理モードを実施してスタック１の再起動を試みる。本実施形態によれば、複数回のフラッディング用起動処理モードのうち少なくとも一つにおいて、制御部５は、カソードガスを搬送させる搬送源３０の作動を間欠的に制御し、スタック１のカソード１１に供給されるカソードガスの圧力および／または流量を脈動化させるようにしても良い。この場合、スタック１の内部に残留している水を、カソードガスの脈動化により移動させ易くなり、結果としてスタック１の外部に排出させ易くなる。この場合、搬送源３０の出力の増減が繰り返される。

（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用などの燃料電池システムに利用することができる。

１はスタック、１０はアノード、１１はカソード、２はアノード通路、２１は往通路、２４は復通路、２７は第２迂回路、２８は第２調整バルブ、３はカソード通路、３０は搬送源、３１は往通路、３４は復通路、３６は加湿器、３６ａは加湿部、３６ｃは吸湿部、３６ｄは膜、３７は第１迂回路、３８は第１調整バルブ、４７は第２迂回路、４８は第２調整バルブ、５は制御部を示す。

Claims (5)

1. アノードおよびカソードを有するスタックと、前記スタックの前記アノードにアノード流体を供給するアノード通路と、前記スタックの前記カソードにカソード流体を供給するカソード通路と、前記スタックの発電運転を制御する制御部とを具備しており、
   前記制御部は、前記スタックの前記カソードおよび／または前記アノードにパージガスを供給して前記スタックの内部に滞在する水を吐出させるパージ処理を実行し、その後、前記スタックに前記アノード流体および前記カソード流体を供給して前記スタックを起動させるフラッディング用起動処理モードと、
   前記フラッディング用起動処理モードよりも前記スタックの内部の乾燥を抑えつつ、前記スタックに前記アノード流体および前記カソード流体を供給して前記スタックを起動させるドライアップ用起動処理モードとを実行可能であり、
   前記制御部は、前記スタックの発電運転が電圧低下で停止したとき、前記フラッディング用起動処理モードよりも前記ドライアップ用起動処理モードを優先させ、前記ドライアップ用起動処理モードで前記スタックの再起動を試み、前記ドライアップ用起動処理モードにおいて前記スタックが再起動しないとき、前記フラッディング用起動処理モードを実行する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記制御部は、前記ドライアップ用起動処理モードにおいて、前記スタックに前記パージガスを供給するパージ処理を実行することなく、前記スタックに前記アノード流体および前記カソード流体を供給して前記スタックを起動させる燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記フラッディング用起動処理モードは、前記パージガスを前記スタックの内部に供給するパージ操作と、前記パージ操作後に前記スタックを再起動させる操作とを繰り返し実行し、
   前記スタックが起動しない限り、前記パージガスを前記スタックの内部に供給する時間を長くする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記カソード通路は、前記カソードガスを加湿させる加湿器と、前記加湿器を迂回する迂回路とを有しており、
   前記制御部は、前記フラッディング用起動処理モードにおいて、前記加湿器を迂回して前記迂回路を通過する前記カソード流体を前記パージガスとして前記スタックの前記カソードに供給する燃料電池システム。
5. 請求項１〜３のうちの一項において、前記カソード通路は、前記カソード流体を加湿させる加湿器と、前記加湿器を迂回する迂回路とを有しており、
   前記制御部は、前記ドライアップ用起動処理モードにおいて、前記加湿器を迂回させることなく前記加湿器を通過した前記カソードガスを前記パージガスとして前記スタックの前記カソードに供給する燃料電池システム。

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