JP2012003981A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの増加を抑制した上で、ドライアップ状態を確実に判定するとともに、可能な限り要求出力を満たしながらドライアップを解消できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】カソード入口ガス温度、カソード出口ガス温度、及び冷媒出口温度に基づいてカソード出入口ガス温度差及び冷媒−ガス温度差を算出し、これら温度差を用いてシステムドライアップ及びスタックドライアップの判定を行う。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料ガス）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤ガス）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。

上述した燃料電池では、電解質膜が過剰に乾燥した状態（以下、スタックドライアップ状態という）になると、燃料電池の発電性能が低下し、ひいては電解質膜の劣化に繋がるという問題がある。そのため、所望の発電性能を発揮させるためには、電解質膜を常に湿潤な状態に維持する必要がある。

そこで、特許文献１には、アノードガス流路の入口側に露点検出器を設置し、この露点検出器の検出値（アノード入口ガス露点）に基づいて、燃料電池がドライアップ状態であるか否かを判定する構成が記載されている。
また、特許文献２には、スタックドライアップの虞ありと判断された場合に、低負荷運転と高負荷運転とを繰り返すドライアップ対策処理を行うことで、連続的な高負荷運転によるスタックの温度上昇を抑制するとともに、高負荷運転時に生成される生成水により、燃料電池の加湿状態を維持する技術が開示されている。

特開２０１０−３４８０号公報 特開２００７−１２４５４号公報

ところで、上述した燃料電池システムを搭載した燃料電池車両において、登坂時など車速が遅い場合には、燃料電池を冷却する冷媒の放熱が不十分となり、冷媒の温度が上昇する。また電解質膜が劣化した場合にも、発熱量が大きくなり、冷媒の温度が上昇する。
このように、冷媒の温度が高い場合には、燃料電池内で発電や結露により生成された生成水が気化し易くなる。そして、気化した生成水（水蒸気）は、カソードオフガスやアノードオフガスとともに排出されてしまうことで、燃料電池内の水分量（水収支）が低下し、燃料電池の電解質膜が乾燥し始める。この場合、上述した特許文献１のように流路入口側に設置された露点検出器での検出値（露点）に変化がなくても、スタックドライアップ状態になる虞がある。すなわち、燃料電池内に供給される水分量は低下していない状態で、燃料電池から排出される水分量が増加することで、スタックドライアップ状態になる虞がある。
また、上述した特許文献１の構成では、アノードガス流路に露点検出器を設置することで、部品点数が増加するとともに、製造コストが増加するという問題がある。

さらに、特許文献２の構成では、スタックドライアップの虞ありと判断された時点で、ドライアップ対策処理により燃料電池の出力が制限されてしまうと、ドライアップ対策処理が完了するまでは、要求出力を必ずしも満たすことができないという問題がある。

そこで、本発明は、製造コストの増加を抑制した上で、ドライアップ状態を確実に判定するとともに、可能な限り要求出力を満たしながらドライアップを解消できる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体高分子膜を用い、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）と、前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路２２）と、前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路（例えば、実施形態における冷媒流路１５）と、前記酸化剤ガス流路の出口から排出される前記酸化剤ガスの出口温度を測定する酸化剤ガス出口温度測定手段（例えば、実施形態における出口ガス温度センサ５２）と、前記冷媒流路の入口または出口を流通する前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定手段（例えば、実施形態における冷媒温度センサ１９）と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムのうち、前記固体高分子膜のドライアップ状態を判定するドライアップ制御部（例えば、実施形態におけるドライアップ判定手段６２）を備え、前記ドライアップ制御部は、前記冷媒の温度と前記酸化剤ガスの出口温度との温度差が第１閾値を超えた場合に、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）と、前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路２２）と、前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路（例えば、実施形態における冷媒流路１５）と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと、前記燃料電池から排出される前記酸化剤ガスとを、水分交換膜を介して水分交換させる加湿器（例えば、実施形態における加湿器２９）と、前記酸化剤ガス流路の入口に流入する前記酸化剤ガスの入口温度を測定する酸化剤ガス入口温度測定手段（例えば、実施形態における入口ガス温度センサ５１）と、前記酸化剤ガス流路の出口から排出される前記酸化剤ガスの出口温度を測定する酸化剤ガス出口温度測定手段（例えば、実施形態における出口ガス温度センサ５２）と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムのドライアップ状態を判定するドライアップ制御部（例えば、実施形態におけるドライアップ判定手段６２）を備え、前記ドライアップ制御部は、前記酸化剤ガスの出口温度と入口温度との温度差が第２閾値を超えた場合に、前記燃料電池システムがドライアップ状態であると判定することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、固体高分子膜を用い、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）と、前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路２２）と、前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路（例えば、実施形態における冷媒流路１５）と、前記冷媒流路の入口または出口を流通する前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定手段（例えば、実施形態における冷媒温度センサ１９）と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムのうち、前記固体高分子膜のドライアップ状態を判定するドライアップ制御部（例えば、実施形態におけるドライアップ判定手段６２）を備え、前記ドライアップ制御部は、前記冷媒の温度が第３閾値を超えた場合に、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定することを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）と、前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路（例えば、実施形態におけるカソードガス流路２２）と、前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路（例えば、実施形態における冷媒流路１５）と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと、前記燃料電池から排出される前記酸化剤ガスとを、水分交換膜を介して水分交換させる加湿器（例えば、実施形態における加湿器２９）と、前記冷媒流路の入口または出口を流通する前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定手段（例えば、実施形態における冷媒温度センサ１９）と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムのドライアップ状態を判定するドライアップ制御部（例えば、実施形態におけるドライアップ判定手段６２）を備え、前記ドライアップ制御部は、前記冷媒の温度が第４閾値を超えた場合に、前記燃料電池システムがドライアップ状態であると判定することを特徴とする。

請求項５に記載した発明では、前記ドライアップ制御部は、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定した場合に、前記冷媒流路を流通する前記冷媒の流量を増加させることを特徴とする。

請求項６に記載した発明では、前記冷媒流路に接続され、前記冷媒流路を流通する前記冷媒の温度を調整する冷媒用熱交換器（例えば、実施形態におけるラジエータ１０）と、前記冷媒用熱交換器に向けて送風し、前記冷媒を冷却するファン（例えば、実施形態における冷媒冷却用ファン２０）とを備え、前記スタックドライアップ制御部は、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定した際、前記ファンの回転数を増大させることを特徴とする。

請求項７に記載した発明では、前記ドライアップ制御部は、前記燃料電池システムがドライアップ状態であると判定した場合、前記燃料電池の出力電流値を制限することを特徴とする。

ここで、本願発明者は、燃料電池の固体高分子膜が過剰に乾燥するスタックドライアップについて、以下の現象が生じることを実験により導き出した。
例えば、燃料電池車両等に搭載された燃料電池システムの発電時において、燃料電池システムの置かれた外気温が比較的高い場合や、登坂時など車速が遅い場合、燃料電池の劣化により、燃料電池の発熱量が大きい場合等には、上述したように冷媒の温度が上昇する。
冷媒の温度が高くなると、燃料電池内の生成水が気化し易くなり、気化する際の気化熱により酸化剤ガスの温度上昇が抑制される。その結果、冷媒の温度が酸化剤ガスの出口温度を上回り、冷媒の温度と酸化剤ガスの出口温度との間に温度差が生じ始める。本発明に係る燃料電池システムでは、この状態を燃料電池の固体高分子膜が乾燥し始めるスタックドライアップの開始条件に設定した。
冷媒の温度上昇により生成水が気化すると、気化した生成水（水蒸気）が酸化剤ガスとともに排出されるため、燃料電池から排出される水分量（排出水分量Ｑｏｕｔ）が増大する。この時、排出水分量Ｑｏｕｔが増加するのに対して、燃料電池に供給される酸化剤ガス中に含まれる水分量（投入水分量Ｑｉｎ）や、燃料電池で発電によって生成される生成水の量（生成水量ＱＷ）には変化がない。この場合、燃料電池内における水収支である加湿水量Ｑは、Ｑ＝Ｑｉｎ＋ＱＷ−Ｑｏｕｔで表されるため、結果的に燃料電池内の水分量（加湿水量Ｑ）が低下していく。その結果、燃料電池の固体高分子膜が乾燥し始める。

そして、スタックドライアップが始まると、燃料電池の発電性能が低下し始める。発電性能が低下することで、燃料電池内での生成水量ＱＷが低下する。また、燃料電池の発電性能が低下すると、発電時の熱損失が大きくなり、燃料電池での発熱量が増加する。これにより、冷媒の温度がさらに上昇するため、時間経過に伴って排出水分量Ｑｏｕｔはさらに増加していく。その結果、加湿水量Ｑが除々に低下し、スタックドライアップが進行していく。

これに対して、請求項１に記載した発明によれば、冷媒の温度と酸化剤ガスの出口温度との温度差に基づいて、スタックドライアップを判定することで、生成水が気化し易くなり、燃料電池内の加湿水量Ｑが低下してスタックドライアップが始まっていることを判定できる。これにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスの露点の変化に関わらず、スタックドライアップが始まっているのを正確、かつ速やかに判定できる。また、従来のように露点検出器を新たに設置することなく、スタックドライアップを判定できるので、製造コストの増加を抑制できる。

また、本願発明者は、上述したスタックドライアップが継続されることで、燃料電池の固体高分子膜や加湿器の水分交換膜を含む燃料電池システム全体が過剰に乾燥する事象が発生することを実験により見出した。以下に、この事象をシステムドライアップと呼び、この事象の発生メカニズムについて説明する。
上述したスタックドライアップがそのまま継続され、加湿水量Ｑが低下し続けると、結果的に加湿水量Ｑが０（ｇ／ｓｅｃ）を下回る。具体的には、排出水分量Ｑｏｕｔが、投入水分量Ｑｉｎと生成水量ＱＷとの合計を上回り、燃料電池から水分が持ち去られる状態となる。その結果、燃料電池内の固体高分子膜が過剰に乾燥した、完全なスタックドライアップ状態となる。
完全なスタックドライアップ状態になると、燃料電池内での生成水の気化量が低下して気化熱も減少するため、酸化剤ガスが加湿されなくなる。そのため、燃料電池から排出される酸化剤ガス（以下、酸化剤オフガスという）に含まれる排出水分量Ｑｏｕｔが低下する。
排出水分量Ｑｏｕｔが低下し始めると、加湿器に供給される水分量が低下し、加湿器（水分透過膜）が乾燥し始める。すなわち、固体高分子膜に加えて加湿器の水分透過膜まで乾燥するシステムドライアップが始まる。これにより、加湿器での加湿性能が低下し、燃料電池に供給される酸化剤ガスの水分量（露点）が低下し始める。その結果、加湿器の水分透過膜が過剰に乾燥したシステムドライアップ状態となり、電圧がさらに低下する。

ここで、上述したスタックドライアップが起こり始めると、酸化剤ガスの温度上昇が抑制されるため、酸化剤ガスの出口温度と入口温度との温度差の変化はスタックドライアップ開始時点からほぼ一定で推移する。
しかしながら、完全なスタックドライアップ状態になると、上述したように燃料電池内での生成水の気化量が低下して気化熱も減少するため、酸化剤ガスの出口温度が上昇する。その結果、酸化剤ガスの出入口温度差が急上昇する。本発明に係る燃料電池システムでは、この状態をシステムドライアップの判定条件に設定した。

請求項２に記載した発明によれば、酸化剤ガスの出口温度と入口温度との温度差に基づいて、システムドライアップを判定することで、酸化剤オフガスの露点が極端に低下して、加湿器の加湿性能が低下しているのを判定できる。これにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスの露点の変化に関わらず、システムドライアップが発生していることを正確、かつ速やかに判定できる。また、従来のように露点検出器を新たに設置することなく、システムドライアップを判定できるので、製造コストの増加を抑制できる。

上述したようにスタックドライアップは、冷媒流路を流通する冷媒の温度が高い場合に発生し易い。
そこで、請求項３に記載した発明によれば、冷媒の温度に基づいてスタックドライアップを判定することで、燃料電池に供給される酸化剤ガスの露点の変化に関わらず、スタックドライアップを正確、かつ速やかに判定できる。また、従来のように露点検出器を新たに設置することなく、固体高分子膜のスタックドライアップを判定できるので、製造コストの増加を抑制できる。

上述したようにスタックドライアップ状態になり、燃料電池の発電性能が低下すると、燃料電池での発熱量が増加するため、冷媒流路を流通する冷媒の温度がさらに上昇し、システムドライアップに繋がる。
そこで、請求項４に記載した発明によれば、冷媒の温度に基づいてシステムドライアップを判定することで、燃料電池に供給される酸化剤ガスの露点の変化に関わらず、システムドライアップを正確、かつ速やかに判定できる。また、従来のように露点検出器を新たに設置することなく、固体高分子膜のスタックドライアップを判定できるので、製造コストの増加を抑制できる。

請求項５に記載した発明によれば、固体高分子膜がドライアップ状態（スタックドライアップ）であると判定した場合に、冷媒流路を流通する冷媒の流量を増加させることで、燃料電池から冷媒への受熱を促進させることができる。これにより、冷媒流路内を流通する冷媒の温度上昇を抑制して、燃料電池内で生成される生成水の気化を抑制できる。そのため、燃料電池内での加湿水量を増加させ、燃料電池内を加湿できる。よって、スタックドライアップが始まった場合に、出力を低下させることなく、スタックドライアップを解消できるので、上述した特許文献２と異なり、要求出力を満たしながらスタックドライアップの解消を図ることができる。

請求項６に記載した発明によれば、固体高分子膜がドライアップ状態（スタックドライアップ）であると判定した場合に、冷媒用ファンの回転数を増大させることで、冷媒用熱交換器の放熱効率を向上させることができる。その結果、冷媒の温度を低下させ、燃料電池内で生成される生成水の気化を抑制できるため、燃料電池内での加湿水量を増加させ、燃料電池内を加湿できる。よって、スタックドライアップが始まった場合に、出力を低下させることなく、スタックドライアップを解消できるので、上述した特許文献２と異なり、要求出力を満たしながらスタックドライアップの解消を図ることができる。

請求項７に記載した発明によれば、燃料電池システムがドライアップ状態（上述のシステムドライアップ）であると判定した場合、燃料電池の出力電流値を制限することで、燃料電池の発熱が抑制され、冷媒の温度が低下するため、燃料電池内で生成される生成水の気化を抑制できる。そのため、燃料電池内での加湿水量を増加させ、燃料電池内を加湿できる。これにより、燃料電池内のスタックドライアップを解消できる。そして、燃料電池のスタックドライアップが解消することで、燃料電池から排出される酸化剤オフガスも加湿され、加湿器の加湿性能を回復できる。そのため、加湿器において酸化剤オフガスから酸化剤ガス側へ移動する水の量が多くなり、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を高めることができる。その結果、燃料電池システムのシステムドライアップを解消して、燃料電池の発電性能を回復できる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 セルの平面図である。 第１実施形態におけるＥＣＵのシステムブロック図である。 発電電流値とスタックドライアップ判定閾値との関係を示すグラフである。 時間（ｍｉｎ）に対するカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔ（℃）、カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ（℃）、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ（℃）、加湿水量（水収支）Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）、及びカソード入口ガス露点Ｔｈｃａｉｎ（℃）の関係を示すグラフである。 時間（ｍｉｎ）に対する冷媒入口温度Ｔｗｉｎ，冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ（℃）及び電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。 第１実施形態における燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態におけるＥＣＵのシステムブロック図である。 発電電流に対するシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓ及びスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋの関係を示すグラフである。 第２実施形態における燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（酸化剤ガス）である空気を供給するためのカソードガス供給手段１１と、アノードガス（燃料ガス）である水素を供給するためのアノードガス供給手段１２と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６（図３参照）とを主に備えている。

燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子型の電解質膜を備えている。そして、この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（ＭＥＡ）が形成され、このＭＥＡの両側に一対のセパレータ４３（図２参照）を配置してセル４２（図２参照）が構成され、このセル４２が複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応（Ｈ_２＋Ｏ_２／２→Ｈ_２Ｏ）を行い発電するようになっている。なお、セル４２の具体的な構成については後述する。

カソードガス供給手段１１は、カソードガスを燃料電池２に向けて送出するエアポンプ３３を備えている。エアポンプ３３には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路２４が接続されている。カソードガス供給流路２４は、加湿器２９を介して燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソードガス流路（酸化剤ガス流路）２２に接続されている。一方、カソードガス流路２２の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電や結露によって燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路３８が接続されている。なお、カソードガス流路２２の入口付近には、カソードガス供給流路２４からカソードガス流路２２に流入するカソードガスの温度（カソード入口ガス温度Ｔｃａｉｎ）を計測するための入口ガス温度センサ５１が接続される一方、カソードガス流路２２の出口付近には、カソードガス流路２２からカソードオフガス排出流路３８に流出するカソードガスの温度（カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔ）を計測するための出口ガス温度センサ５２が接続されている。

カソードオフガス排出流路３８は、加湿器２９を介して希釈ボックス３１に接続されている。加湿器２９は、内部に中空糸状の水分透過膜（中空糸膜）を多数束ねた状態でハウジング（不図示）に収容されて構成されている。そして、中空糸膜の内側と外側とにそれぞれ水分含量の異なるガスが流通すると、水分含量の多いガス中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ないガスへと移動する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜の内側にエアポンプ３３から送出されるカソードガスが流通し、外側に生成水を含んだカソードオフガスが流通することで、燃料電池２で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池２に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。

そして、エアポンプ３３によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路２４を通過した後、燃料電池２のカソードガス流路２２に供給される。そして、カソードガス流路２２において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３８に排出される。カソードオフガス排出流路３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、カソードオフガスは車外へと排気される。また、カソードオフガス排出流路３８には燃料電池２のカソードガス流路２２におけるカソードガスの圧力を調整するための背圧弁３４が設けられている。

一方、アノードガス供給手段１２は、アノードガスが充填された水素タンク３０を備えている。水素タンク３０は、アノードガス供給流路２３を介して燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノードガス流路（燃料ガス流路）２１に接続されている。一方、アノードガス流路２１の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路３５が接続されている。

アノードガス供給流路２３には、上流側から順に、遮断弁２５、レギュレータ２８、エゼクタ２６が接続されている。
遮断弁２５は電磁駆動式のものであり、水素タンク３０からのアノードガスの供給を遮断可能に構成されている。
レギュレータ２８は、燃料電池２に供給されるカソードガスの圧力（カソード入口ガス圧力）を信号圧として、水素タンク３０から供給される高圧のアノードガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧（減圧）するものである。これにより、燃料電池２のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ２８により調圧されたアノードガスは、エゼクタ２６を通り、燃料電池２に供給される。

また、アノードオフガス排出流路３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出流路３５は、途中で流路が分岐して構成されたパージガス排出流路３７を有している。パージガス排出流路３７は希釈ボックス３１に接続されている。また、パージガス排出流路３７には電磁駆動式のパージ弁２７が設けられている。

希釈ボックス３１は、パージガス排出流路３７から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出流路３８が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路３６から車外に排出される。なお、希釈ボックス３１には、パージガス排出流路３７から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。

また、燃料電池システム１は、燃料電池２内に冷媒を流通させて燃料電池２を冷却する冷却手段１３を備えている。冷却手段１３は、燃料電池２内に冷媒を流通させる冷媒流路１５と、冷媒を冷却するラジエータ（冷媒用熱交換器）１０と、ラジエータ１０から排出された冷媒を冷媒流路１５に向けて流通させる冷媒供給流路１４と、冷媒流路１５から排出された冷媒をラジエータ１０に向けて流通させる冷媒排出流路１７とを備えている。また、冷媒供給流路１４には、燃料電池２とラジエータ１０との間で冷媒を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１８が設けられている。さらに、冷媒排出流路１７には燃料電池２から排出される冷媒の温度（冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ）を計測するための冷媒温度センサ１９が接続されている。また、ラジエータ１０には冷媒用冷却ファン（ファン）２０が設けられている。この冷媒用冷却ファン２０を作動させることで、ラジエータ１０に送風して冷媒の冷却を促進する。さらに、燃料電池２から取り出される電流値を計測する発電電流計（不図示）が燃料電池２に設けられている。

（セル）
次に、上述した燃料電池２のセル４２の構成について具体的に説明する。図２は、セルの平面図である。
セル４２は、上述したようにＭＥＡ（不図示）の両側を一対のセパレータ４３で挟持して形成され、長辺方向を燃料電池車両の高さ方向と一致させた状態で配置された平面視長方形状のものである。なお、図２では、図中上下方向を燃料電池車両の上下方向に、図中奥行方向を燃料電池車両の前後方向に一致させた状態で示している。
セル４２の高さ方向の上縁部には、セル４２の厚さ方向（燃料電池車両の前後方向）に連通して、カソードガスを供給するためのカソードガス入口連通孔４４ａと、アノードガスを供給するためのアノードガス入口連通孔４５ａとが形成されている。

一方、セル４２の下縁部には、セル４２の厚さ方向に連通して、カソードガスを排出するためのカソードガス出口連通孔４４ｂと、アノードガスを排出するためのアノードガス出口連通孔４５ｂとが形成されている。これらカソードガス入口連通孔４４ａ、カソードガス出口連通孔４４ｂ、アノードガス入口連通孔４５ａ及びアノードガス出口連通孔４５ｂは、開口断面が略台形状に形成されている。そして、カソードガス入口連通孔４４ａとカソードガス出口連通孔４４ｂとがセパレータ４３の対角位置に配置される一方、アノードガス入口連通孔４５ａとアノードガス出口連通孔４５ｂとがセパレータ４３の対角位置に配置されている。なお、カソードガス入口連通孔４４ａとアノードガス入口連通孔４５ａとの間、及びカソードガス出口連通孔４４ｂとアノードガス出口連通孔４５ｂとの間には、燃料電池２を締結するタイロッド（不図示）を挿通するためのタイロッド挿通孔４６が設けられている。

そして、一対のセパレータ４３のうち、一方のセパレータ４３（カソード側セパレータ）のＭＥＡに対向する面（図２における裏面）側には、カソードガス入口連通孔４４ａとカソードガス出口連通孔４４ｂとに連通する上述したカソードガス流路２２（図２では不図示）が形成されている。また、他方のセパレータ４３（アノード側セパレータ）のＭＥＡに対向する面（図２における裏面）側には、アノードガス入口連通孔４５ａとアノードガス出口連通孔４５ｂとに連通する上述したアノードガス流路２１（図２では不図示）が形成されている。

これにより、燃料電池２に供給されたアノードガス及びカソードガスは、各セパレータとＭＥＡとの間をセル４２の上部（カソードガス入口連通孔４４ａ及びアノードガス入口連通孔４５ａ）から、下部（カソードガス出口連通孔４４ｂ及びアノードガス出口連通孔４５ｂ）に向かって高さ方向（セル４２の対角方向）に流通するようになっている。なお、図２では、ＭＥＡ面内でのカソードガスの流れを矢印Ｃａで示し、アノードガスの流れを矢印Ａｎで示している。

また、セル４２の幅方向両側の上半部には、セル４２内に冷媒を導入するための複数（例えば、２つずつ）の冷媒入口連通孔４７ａが形成されるとともに、下半部にはセル４２から冷媒を排出するための、複数（例えば、２つずつ）の冷媒出口連通孔４７ｂが形成されている。すなわち、冷媒入口連通孔４７ａ及び冷媒出口連通孔４７ｂは、平面視矩形状で同一の開口断面積に形成されており、セル４２の幅方向両側で高さ方向に沿って例えば、２つずつ並んで配列されている。

また、各セパレータ４３における隣接するセル４２のセパレータ４３に対向する面（図２における表面）には、冷媒入口連通孔４７ａと冷媒出口連通孔４７ｂとに連通する冷媒通路４８が形成されている。この場合、セパレータ４３の幅方向両側の冷媒入口連通孔４７ａから導入された冷媒は、冷媒通路４８内を幅方向中央部に向かって流通しつつ、下方に向けて流通する（図２中矢印Ｗ）。その後、幅方向両側の冷媒出口連通孔４７ｂから排出される。すなわち、本実施形態において、カソードガス及びアノードガスの出口（カソードガス出口連通孔４４ｂ及びアノードガス出口連通孔４５ｂ）と、冷媒の出口（冷媒出口連通孔４７ｂ）とが、何れもセル４２の同じ方向（下半部）に配置されている。なお、各セル４２が積層されることで、各セル４２の冷媒入口連通孔４７ａ、冷媒出口連通孔４７ｂ、及び冷媒通路４８により、燃料電池２内で冷媒が流通する上述した冷媒流路１５（図１参照）を構成している。

（ＥＣＵ）
図３はＥＣＵのブロック図である。
図３に示すように、ＥＣＵ６は、燃料電池システム１の各構成品を統括的に制御するものであり、温度差算出手段６１と、ドライアップ判定手段（ドライアップ制御部）６２と、ドライアップ防止制御部６３とを主に備えている。

温度差算出手段６１は、カソード出入口ガス温度差算出手段６４と、冷媒−ガス温度差算出手段６５とを備えている。
カソード出入口ガス温度差算出手段６４は、上述した各温度センサ５１，５２により計測されたカソード入口ガス温度Ｔｃａｉｎ及びカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔのカソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ（Ｔｄｃａ＝Ｔｃａｏｕｔ−Ｔｃａｉｎ）を算出する。
冷媒−ガス温度差算出手段６５は、出口ガス温度センサ５２により計測されるカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔと、冷媒温度センサ１９により計測される冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔとの冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃ（Ｔｄｗｃ＝Ｔｗｏｕｔ−Ｔｃａｏｕｔ）を算出する。

ドライアップ判定手段６２は、システムドライアップ判定手段６６とスタックドライアップ判定手段６７とを備えている。ここで、スタックドライアップとは、燃料電池２の電解質膜が過剰に乾燥する状態であり、システムドライアップとは、燃料電池システム１の全体、具体的にはスタックドライアップが継続されることで、電解質膜に加えて加湿器２９の中空糸膜も過剰に乾燥する状態である。

システムドライアップ判定手段６６には、システムドライアップ判定閾値（第２閾値）Ｔｄｓｙｓが記憶されており、このシステムドライアップ判定閾値Ｔｄｓｙｓと、上述したカソード出入口ガス温度差算出手段６４により算出されたカソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａとを比較して、燃料電池システム１のドライアップ状態（システムドライアップ）を判定する。具体的には、カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａがシステムドライアップ判定閾値Ｔｄｓｙｓよりも高い場合に、システムドライアップの虞があると判定する。なお、図４に示すように、システムドライアップ判定手段６６には、燃料電池２での発電電流に対するシステムドライアップ判定閾値Ｔｄｓｙｓの関係を示すテーブルが記憶されており、発電電流値の増加に応じてシステムドライアップ判定閾値Ｔｄｓｙｓが増加するようになっている。これは、発電電流値が増加するにつれ、発熱量が増加することで、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔが上昇して、カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａが大きくなるからである。

図３に戻り、スタックドライアップ判定手段６７には、スタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋ（第１閾値）が記憶されており、このスタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋと、上述した冷媒−ガス温度差算出手段６５により算出された冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃとを比較して、燃料電池２のドライアップ状態（スタックドライアップ）を判定する。具体的には、冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃがスタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋよりも高い場合に、スタックドライアップが開始する虞があると判定する。なお、通常発電時において、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔとカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔとは、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔの方が高いか、若しくは同等の状態で推移する。そのため、本実施形態において、スタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋは、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔがカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔを僅かに上回った時点（例えば１℃程度）に設定している。但し、スタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋの設定は、燃料電池システム１の作動条件（カソードストイキや冷媒流量等）によって左右されるため、事前にテストで決定することが好ましい。

ドライアップ防止制御部６３は、上述したドライアップ判定手段６２の判定結果によりシステムドライアップまたはスタックドライアップの虞があると判定された場合に、ドライアップの防止制御を行うものである。具体的に、システムドライアップ判定手段６６によりシステムドライアップの虞があると判定された場合には、ドライアップ防止制御部６３は、燃料電池２から取り出される出力電流値を制限する制御を行う。

また、スタックドライアップ判定手段６７によりスタックドライアップが開始する虞があると判定された場合には、ドライアップ防止制御部６３は、以下の（１）〜（４）のスタックドライアップの防止制御のうち、少なくとも何れかを行う。
（１）ウォータポンプ１８の回転数を上げて、冷媒流量を増加させることで、燃料電池２から冷媒への受熱を促進させる。
（２）冷媒用冷却ファン２０の回転数を上げて、ラジエータ１０の放熱効率を向上させる。
（３）背圧弁３４の開度を絞る等して、燃料電池２に供給されるカソードガスの圧力、及び燃料電池２から排出されるカソードオフガスの圧力を上昇させ、水分を凝縮し易くする。
（４）燃料電池２へのカソードガスの供給量を低減する（ストイキを下げる）。この場合、カソードオフガスの湿度が一定で、加湿器２９においてカソードオフガスからカソードガス側に移動する水の量（カソードガスが受け取る生成水の量）が一定である場合で比較すると、カソードガスの流量が少ない方が多い方よりもカソードガスの湿度を高めることができ、加湿割合を向上できる。なお、ストイキとは、燃料電池２でのカソードガスの必要消費量に対する投入量である。

（燃料電池システムの制御方法）
次に、上述した燃料電池システム１の制御方法について説明する。具体的には、燃料電池システム１及び燃料電池２のドライアップ判定制御について説明する。
（ドライアップ発生のメカニズム）
ここで、本願発明者は、燃料電池２の電解質膜が過剰に乾燥するスタックドライアップと、燃料電池システム１全体が過剰に乾燥するシステムドライアップの発生メカニズムについて、以下の現象が生じることを実験により導き出した。図５は、時間（ｍｉｎ）に対するカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔ（℃）、カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ（℃）、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ（℃）、加湿水量（水収支）Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）、及びカソード入口ガス露点Ｔｈｃａｉｎ（℃）の関係を示すグラフである。また、図６は時間（ｍｉｎ）に対する冷媒入口温度Ｔｗｉｎ，冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ（℃）及び電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
なお、燃料電池２に供給されるカソードガス中に含まれる水分量を投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）、燃料電池２で発電や結露等によって生成される生成水の量を生成水量ＱＷ（ｇ／ｓｅｃ）、燃料電池２から排出されるカソードオフガス中に含まれる水分量を排出水分量Ｑｏｕｔ（ｇ／ｓｅｃ）とすると、燃料電池２内での水収支である加湿水量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）は、Ｑ＝Ｑｉｎ＋ＱＷ−Ｑｏｕｔで表すことができる。

燃料電池システム１の発電時において、燃料電池車両の置かれた外気温が比較的高い場合や、登坂時などに車速が遅い場合、燃料電池２の劣化により、燃料電池２の発熱量が過剰に大きい場合等には、冷却手段１３内を流通する冷媒の温度が上昇する。なお、燃料電池２の劣化による発熱量の増加は、燃料電池２が劣化すると、燃料電池２の発電性能が損なわれ、発電時の熱損失が大きくなるためである。

図５に示すように、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔが高くなると、燃料電池２内の生成水が気化し易くなり、気化する際の気化熱によりカソードガスの温度上昇が抑制される。その結果、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔがカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔを上回り（Ｔｗｏｕｔ＞Ｔｃａｏｕｔ）、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔとカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔとの温度差Ｔｄｗｃに温度差が生じ始める（図５中時間Ａ）。本実施形態の燃料電池システム１では、この状態を燃料電池２の電解質膜が乾燥し始めるスタックドライアップの開始条件に設定する。
冷媒の温度上昇により生成水が気化すると、気化した生成水（水蒸気）がカソードガスとともに排出されるため、燃料電池２から排出される水分量（排出水分量Ｑｏｕｔ）が増大し、燃料電池システム１内において、より多くの水分が循環することになる。しかしながら、排出水分量Ｑｏｕｔが増加するのに対して、投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）や、生成水量ＱＷ（ｇ／ｓｅｃ）には変化がない。上述したように燃料電池２内における水収支である加湿水量Ｑは、Ｑ＝Ｑｉｎ＋ＱＷ−Ｑｏｕｔで表されるため、結果的に加湿水量Ｑが低下していく。その結果、燃料電池２の電解質膜が乾燥し始める。

そして、スタックドライアップが始まると、燃料電池２の発電性能が低下し始める。発電性能が低下することで、燃料電池２内の生成水量ＱＷが低下する。また、燃料電池２の発電性能が低下すると、発電時の熱損失が大きくなり、燃料電池２での発熱量が増加する。これにより、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔがさらに高くなるため、排出水分量Ｑｏｕｔがさらに増加する。その結果、加湿水量Ｑが除々に低下し、スタックドライアップが進行していく。

スタックドライアップがそのまま継続され、加湿水量Ｑが低下し続けると、結果的に加湿水量Ｑが０（ｇ／ｓｅｃ）を下回る（図５中時間Ｂ）。すなわち、排出水分量Ｑｏｕｔが、投入水分量Ｑｉｎと生成水量ＱＷとの合計を上回り、燃料電池から水分が持ち去られる状態となる。その結果、燃料電池２の電解質膜が過剰に乾燥した、完全なスタックドライアップ状態となる。
完全なスタックドライアップ状態になると、燃料電池２内での生成水の気化量が低下して気化熱も減少するため、カソードガスが加湿されなくなる。そのため、燃料電池２から排出されるカソードオフガスに含まれる排出水分量Ｑｏｕｔが低下する。
排出水分量Ｑｏｕｔが低下し始めると、加湿器２９に供給される水分量が低下し、加湿器２９（中空糸膜）が乾燥し始める。すなわち、電解質膜に加えて加湿器２９の中空糸膜まで乾燥するシステムドライアップが始まる。これにより、加湿器２９での加湿性能が低下し、燃料電池２に供給されるカソードガスの水分量（カソード入口ガス露点Ｔｈｃａｉｎ）が低下し始める。その結果、加湿器２９の中空糸膜が過剰に乾燥したシステムドライアップ状態となり、電圧が低下する（図５，６中時間Ｃ以降）。

ここで、上述したスタックドライアップが始まると、カソードガスの温度上昇が抑制されるため、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔとカソード入口ガス温度Ｔｃａｉｎとの温度差（カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ）の変化はスタックドライアップ開始時点からほぼ一定で推移する。
しかしながら、完全なスタックドライアップ状態になると、上述したように燃料電池２内での生成水の気化量が低下して気化熱も減少するため、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔが急上昇する。その結果、カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａが急上昇する。本実施形態では、この状態をシステムドライアップの判定条件に設定する。

（ドライアップ判定制御）
図７は、燃料電池システムのドライアップ判定制御を示すフローチャートである。
図７に示すように、ステップＳ１において、上述した各温度センサ１９，５１，５２により冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ、カソード入口ガス温度Ｔｃａｉｎ及びカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔを計測する。

次に、ステップＳ２において、カソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ及び冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃを算出する。具体的に、カソード出入口ガス温度差算出手段６４は、ステップＳ１で計測したカソード入口ガス温度Ｔｃａｉｎ及びカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔを用いてカソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ（Ｔｄｃａ＝Ｔｃａｏｕｔ−Ｔｃａｉｎ）を算出する。また、冷媒−ガス温度差算出手段６５は、ステップＳ１で計測したカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔ及び冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔ）を用いて冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃ（Ｔｄｗｃ＝Ｔｗｏｕｔ−Ｔｃａｏｕｔ）を算出する。

次に、ステップＳ３において、既に燃料電池システム１がシステムドライアップ状態になっている虞があるか否かを判定する。具体的に、システムドライアップ判定手段６６は、ステップＳ２で算出されたカソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａが、システムドライアップ判定手段６６に記憶されたシステムドライアップ判定閾値Ｔｄｓｙｓよりも高いか否かを判定する。
そして、ステップＳ３における判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｄｃａ≦Ｔｄｓｙｓ）、システムドライアップの虞はないと判定してステップＳ４に進む。

ステップＳ３における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｄｃａ＞Ｔｄｓｙｓ）、燃料電池システム１がシステムドライアップ状態になっている虞があると判定して（図５中時間Ｃの状態）、ステップＳ５に進む。上述したように、完全なスタックドライアップ状態になった後、システムドライアップが始まると、カソードガスが加湿されなくなり、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔが増加し始める。そのため、本実施形態ではカソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａに基づいてシステムドライアップを判定することで、カソードオフガスの露点が極端に低下して、加湿器２９の加湿性能が低下することにより、システムドライアップが発生しているのを判定できる。

そして、ステップＳ５において、ドライアップ防止制御部６３は、燃料電池２から取り出される出力電流値を制限（ストイキを下げる等）する制御を行う。これにより、燃料電池２の発熱が抑制され、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔが低下するため、燃料電池２内で生成される生成水の気化を抑制できる。そのため、燃料電池２内での生成水量ＱＷを増加させ、ひいては燃料電池２内での加湿水量Ｑを増加させることができるので、燃料電池２内を加湿できる。これにより、燃料電池２内のスタックドライアップ状態を解消できる。そして、燃料電池２のスタックドライアップ状態が解消することで、燃料電池２から排出されるカソードオフガスも徐々に加湿され、加湿器２９に供給される水分量を増加できる。そのため、加湿器２９の加湿性能を回復できるので、加湿器２９においてカソードオフガスからカソードガス側へ移動する水の量が多くなる。その結果、燃料電池２に供給されるカソードガスの湿度を高めることができ、燃料電池システム１のシステムドライアップを解消して、燃料電池２の発電性能を回復できる。
そして、上述したフローを繰り返し、システムドライアップ状態が解消したと判定された時点で、フローを終了する。

一方、上述したステップＳ３でシステムドライアップの虞がないと判定されると、次にステップＳ４において、スタックドライアップが起こり始めているか否か（図５中時間Ａの状態）を判定する。具体的に、スタックドライアップ判定手段６７は、ステップＳ２で算出された冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃが、スタックドライアップ判定手段６７に記憶されたスタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋよりも高いか否かを判定する。すなわち、上述したように冷媒の温度上昇により生成水が気化し易くなると、気化した際の気化熱によりカソードガスの温度上昇が抑制されるため、冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃが大きくなる。そこで、本実施形態では冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃに基づいて、燃料電池２内の加湿水量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）が低下してスタックドライアップが始まっているのを判定する。
ステップＳ４における判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｄｗｃ≦Ｔｄｓｔｋ）、スタックドライアップの虞はないと判定してフローを終了する。

ステップＳ４の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｄｗｃ＞Ｔｄｓｔｋ）、スタックドライアップが起こり始めている虞があると判定してステップＳ６に進む。
そして、ステップＳ６において、ドライアップ防止制御部６３は、上述したスタックドライアップの防止制御（１）〜（４）のうち、少なくとも何れかを行う。

具体的に、（１）の防止制御により冷媒流量を増加させ、燃料電池２から冷媒への受熱を促進させることで、冷媒流路１５内を流通する冷媒の温度上昇を抑制して、冷媒とカソードガスとの冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃを低減できるので、燃料電池２内の生成水の気化を抑制できる。そのため、燃料電池２内で生成水量ＱＷ及び加湿水量Ｑを増加させ、燃料電池２内を加湿できる。
（２）の防止制御によりラジエータ１０の放熱効率を向上させることで、冷媒の温度を低下させることができるため、冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃを低減できる。これにより、（１）と同様に、燃料電池２内で生成水量ＱＷ及び加湿水量Ｑを増加させ、燃料電池２内を加湿できる。
（３）の防止制御によりカソードオフガスの圧力を上昇させ、水分を凝縮し易くさせることで、燃料電池２内で生成される生成水量ＱＷが増加するため、燃料電池２内を加湿できる。
（４）の防止制御によりストイキを下げることで、燃料電池２に供給されるカソードガスの湿度を高めることができ、加湿割合を向上できる。また、ストイキを下げることで、カソードガスが燃料電池２から奪っていく水分量（排出水分量Ｑｏｕｔ）を減少できるため、これが燃料電池２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内を加湿できる。

そして、（１）〜（４）のスタックドライアップの防止制御を行うことで、燃料電池２が完全にスタックドライアップになるのを未然に防止し、燃料電池２の発電性能を回復できる。そして、上述したフローを繰り返し、スタックドライアップ状態が解消したと判定された時点で、フローを終了する。なお、スタックドライアップの防止制御は、上述の（１）〜（４）の何れかを行えば構わないが、複数の防止制御を組み合わせて行うことで、より速やかにスタックドライアップを解消できる。

このように、本実施形態では、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔと冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔに基づいてカソード出入口ガス温度差Ｔｄｃａ及び冷媒−ガス温度差Ｔｄｗｃを算出し、これら温度差Ｔｄｃａ，Ｔｄｗｃを用いてシステムドライアップ及びスタックドライアップの判定を行う構成とした。
これにより、燃料電池２に供給されるカソードガスの露点（カソード入口ガス露点Ｔｈｃａｉｎ）の変化に関わらず、ドライアップを確実、かつ速やかに判定できる。また、従来のように露点検出器を新たに設置することなく、ドライアップを判定できるので、製造コストの増加を抑制できる。

また、本実施形態では、ステップＳ４においてスタックドライアップが開始している虞があると判定した場合に、上述した（１）〜（４）の防止制御を行うことで、燃料電池２の出力を低下させることなく、スタックドライアップを解消できる。したがって、上述した特許文献２と異なり、要求出力を満たしながらスタックドライアップの解消を図ることができる。

ところで、上述したシステムドライアップ及びスタックドライアップの防止制御のうち、システムドライアップの防止制御（発電電流を制限）のみを採用した場合、システムドライアップの防止制御を行うことで、燃料電池２及び加湿器２９を含むシステムドライアップをまとめて解消できるが、スタックドライアップのみが発生している場合にまで発電電流を制限する必要が生じてしまう。
一方、スタックドライアップの防止制御のみを採用した場合、システムドライアップが起こると、上述した（１）〜（４）の防止制御のみではドライアップを解消できず、システムドライアップが進行してしまう。

そこで、本実施形態では、ドライアップ判定制御において、まずシステムドライアップの判定制御を行った後、システムドライアップの虞がなかった場合に、スタックドライアップの判定制御を行う構成とした。
この構成によれば、システムドライアップの判定とスタックドライアップの判定とを段階的に行うことで、システムドライアップが起こっている場合にシステムドライアップの防止制御を行うことで、燃料電池２及び加湿器２９を含む燃料電池システム１のシステムドライアップをまとめて解消できる。
一方、スタックドライアップのみが開始している場合にスタックドライアップの防止制御を行うことで、完全なスタックドライアップになって加湿器２９が乾燥する前に、予めスタックドライアップを解消できる。この場合、発電電流を制御することなく、要求出力を満たしながらスタックドライアップを解消できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。上述した第１実施形態では、カソードガスや冷媒の温度差を用いてドライアップ状態を判定する場合について説明したが、本実施形態では、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔのみを用いてドライアップ状態を判定する。

（ＥＣＵ）
図８は第２実施形態の燃料電池システムのＥＣＵを示すブロック図である。
図８に示すように、本実施形態のＥＣＵ１６０は、ドライアップ判定手段１６２（システムドライアップ判定手段１６５及びスタックドライアップ判定手段１６６）と、ドライアップ防止制御部６３とを主に備えている。

システムドライアップ判定手段１６５には、システムドライアップ判定閾値（第４閾値）Ｔｗｓｙｓが記憶されており、このシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓと、冷媒温度センサ１９により計測される冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔとを比較して、燃料電池システム１のドライアップ状態を判定する。具体的には、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔがシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓよりも高い場合に、システムドライアップの虞があると判定する（図５中時間Ｃの状態）。すなわち、上述した図５に示すように、スタックドライアップ状態になり、加湿水量Ｑの低下で燃料電池２の発電性能が低下すると、発電時の熱損失が大きくなり、燃料電池２での発熱量が増加する。その結果、冷却手段１３内を流通する冷媒の温度が大幅に上昇し、システムドライアップに繋がる。そこで、本実施形態では、冷媒の温度上昇に基づいてシステムドライアップの開始を判定する。

また、図８に示すように、スタックドライアップ判定手段１６６には、上述したシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓよりも低いスタックドライアップ判定閾値（第３閾値）Ｔｗｓｔｋが記憶されており、このスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋと、冷媒温度センサ１９により計測される冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔとを比較して、燃料電池２のドライアップ状態を判定する。具体的には、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔがスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋよりも高い場合に、スタックドライアップが開始している虞があると判定する（図５中時間Ａの状態）。すなわち、上述した図５に示すように、スタックドライアップは、冷却手段１３内を流通する冷媒の温度が高い場合に発生し易い。この場合、システムドライアップ時には及ばないが、通常発電時に比べて、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔが上昇する。そのため、本実施形態では、スタックドライアップが開始して発電性能が低下していることを、システムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓより低いスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋに基づいて判定する。

ここで、図９は発電電流に対するシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓ及びスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋの関係を示すグラフである。
図９に示すように、各ドライアップ判定手段１６５，１６６には、それぞれ発電電流に対する判定閾値Ｔｗｓｙｓ，Ｔｗｓｔｋの関係を示すテーブルが記憶されており、発電電流の増加に応じてシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓ及びスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋが減少するようになっている。これは、燃料電池システム１では、発電電流が増加するにつれ、燃料電池２に供給されるカソードガスの流量が増加するため、燃料電池システム１内を循環する水分量が増加する。そのため、発電電流が増加するほど、燃料電池２内の生成水が気化し易く、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔが低くてもドライアップが発生し易いためである。

（ドライアップ判定制御）
図１０は、燃料電池システムのドライアップ判定制御を示すフローチャートである。
図１０に示すように、ステップＳ１１において、上述した冷媒温度センサ１９により冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔを計測する。

次に、ステップＳ１２において、既に燃料電池システム１がシステムドライアップ状態になっている虞があるか否かを判定する。具体的に、システムドライアップ判定手段１６５は、ステップＳ１１で計測された冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔが、システムドライアップ判定手段１６５に記憶されたシステムドライアップ判定閾値Ｔｗｓｙｓよりも高いか否かを判定する。
ステップＳ１２における判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｗｏｕｔ≦Ｔｗｓｙｓ）、システムドライアップの虞はないと判定してステップＳ１３に進む。

ステップＳ１２における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｗｏｕｔ＞Ｔｗｓｙｓ）、燃料電池システム１がシステムドライアップ状態になっている虞があると判定して（図５中時間Ｃの状態）、ステップＳ５に進む。
そして、ステップＳ５において、ドライアップ防止制御部６３は、上述した第１実施形態と同様に、燃料電池２から取り出される出力電流値を制限する制御を行う。
そして、上述したフローを繰り返し、システムドライアップ状態が解消したと判定された時点で、フローを終了する。

一方、上述したステップＳ１２でシステムドライアップの虞がないと判定されると、次にステップＳ１３において、スタックドライアップが開始しているか否か（図５中時間Ａの状態）を判定する。具体的に、スタックドライアップ判定手段１６６は、ステップＳ１１で計測された冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔが、スタックドライアップ判定手段１６６に記憶されたスタックドライアップ判定閾値Ｔｗｓｔｋよりも高いか否かを判定する。
ステップＳ１３における判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｗｏｕｔ≦Ｔｗｓｔｋ）、スタックドライアップの虞はないと判定してフローを終了する。

ステップＳ１３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｗｏｕｔ＞Ｔｗｓｔｋ）、スタックドライアップが開始している虞があると判定してステップＳ６に進む。
そして、ステップＳ６において、ドライアップ防止制御部６３は、上述したスタックドライアップの防止制御（１）〜（４）のうち、少なくとも何れかを行う。そして、上述したフローを繰り返し、スタックドライアップ状態が解消したと判定された時点で、フローを終了する。

このように、本実施形態では、上述した第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、冷媒温度センサ１９により計測された冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔのみを用いてドライアップ判定を行うことができるため、第１実施形態に比べてＥＣＵ１６０の簡素化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。

また、上述した実施形態では、システムドライアップの判定制御とスタックドライアップの判定制御を段階的に行う構成としたが、これに限らず、何れかの判定制御のみを行ってもよく、各判定制御をそれぞれ独立しておこなっても構わない。

さらに、上述した実施形態では、セル４２の高さ方向に沿って冷媒を流通させる構成について説明したが、これに限らず、水平方向（セル４２の幅方向）に沿って流通させても構わない。
ここで、上述した実施形態では、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔに基づいて、ドライアップ判定制御を行う構成について説明したが、これに限られない。すなわち、上述した実施形態では、カソードガス出口連通孔４４ｂと冷媒出口連通孔４７ｂとがセル４２の同一方向に配置されていたため、通常発電時にはカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔと冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔとがほぼ同等で推移する。そのため、冷媒出口温度Ｔｗｏｕｔがカソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔを僅かに上回った時点をスタックドライアップ判定閾値Ｔｄｓｔｋに設定した。
これに対して、冷媒を水平方向（セパレータ４３の幅方向）に流通させ、カソード出口ガス温度Ｔｃａｏｕｔが冷媒入口温度Ｔｗｉｎと同等になる場合には、冷媒供給流路１４側に冷媒温度センサ１９を設け、冷媒入口温度Ｔｗｉｎに基づいてドライアップ判定制御を行う必要がある。

１…燃料電池システム ２…燃料電池スタック（燃料電池） １０…ラジエータ（冷媒用熱交換器）１５…冷媒流路 １９…冷媒温度センサ ２０…冷媒冷却用ファン（ファン） ２１…アノードガス流路（燃料ガス流路） ２２…カソードガス流路（酸化剤ガス流路） ２９…加湿器 ５１…入り口ガス温度センサ（酸化剤ガス入口温度測定手段） ５２…出口ガス温度センサ（酸化剤ガス出口温度測定手段） ６２…ドライアップ判定手段（ドライアップ制御部） ６８…ドライアップ防止制御部（システムドライアップ制御部、スタックドライアップ制御部）

Claims (7)

1. 固体高分子膜を用い、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、
   前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
   前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路と、
   前記酸化剤ガス流路の出口から排出される前記酸化剤ガスの出口温度を測定する酸化剤ガス出口温度測定手段と、
   前記冷媒流路の入口または出口を流通する前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムのうち、前記固体高分子膜のドライアップ状態を判定するドライアップ制御部を備え、
   前記ドライアップ制御部は、
   前記冷媒の温度と前記酸化剤ガスの出口温度との温度差が第１閾値を超えた場合に、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、
   前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
   前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路と、
   前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと、前記燃料電池から排出される前記酸化剤ガスとを、水分交換膜を介して水分交換させる加湿器と、
   前記酸化剤ガス流路の入口に流入する前記酸化剤ガスの入口温度を測定する酸化剤ガス入口温度測定手段と、
   前記酸化剤ガス流路の出口から排出される前記酸化剤ガスの出口温度を測定する酸化剤ガス出口温度測定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムのドライアップ状態を判定するドライアップ制御部を備え、
   前記ドライアップ制御部は、
   前記酸化剤ガスの出口温度と入口温度との温度差が第２閾値を超えた場合に、前記燃料電池システムがドライアップ状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
3. 固体高分子膜を用い、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、
   前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
   前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路と、
   前記冷媒流路の入口または出口を流通する前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムのうち、前記固体高分子膜のドライアップ状態を判定するドライアップ制御部を備え、
   前記ドライアップ制御部は、
   前記冷媒の温度が第３閾値を超えた場合に、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池内の燃料極に沿って前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流路と、
   前記燃料電池内の酸化剤極に沿って前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路と、
   前記燃料電池内に冷媒を流通させ、前記燃料電池の温度を調整する冷媒流路と、
   前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと、前記燃料電池から排出される前記酸化剤ガスとを、水分交換膜を介して水分交換させる加湿器と、
   前記冷媒流路の入口または出口を流通する前記冷媒の温度を測定する冷媒温度測定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムのドライアップ状態を判定するドライアップ制御部を備え、
   前記ドライアップ制御部は、
   前記冷媒の温度が第４閾値を超えた場合に、前記燃料電池システムがドライアップ状態であると判定することを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記ドライアップ制御部は、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定した場合に、前記冷媒流路を流通する前記冷媒の流量を増加させることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷媒流路に接続され、前記冷媒流路を流通する前記冷媒の温度を調整する冷媒用熱交換器と、
   前記冷媒用熱交換器に向けて送風し、前記冷媒を冷却するファンとを備え、
   前記ドライアップ制御部は、前記固体高分子膜がドライアップ状態であると判定した際、前記ファンの回転数を増大させることを特徴とする請求項１，請求項３及び請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記ドライアップ制御部は、前記燃料電池システムがドライアップ状態であると判定した場合、前記燃料電池の出力電流値を制限することを特徴とする請求項２または請求項４記載の燃料電池システム。

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