JP2013258111A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池での水詰まりや乾燥、それらの複合状態を速やかに解消できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】セル電圧監視手段により測定される最低セル電圧ＶＣＭＩＮに基づいて、燃料電池に供給するアノードガス、及びカソードガスを制御するＥＣＵを備え、ＥＣＵは、最低セル電圧ＶＣＭＩＮが最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１を下回った場合、カソードガスの供給量を増加させるカソード水詰まり対策処理を実施し、カソード水詰まり対策処理を実施した後、最低セル電圧ＶＣＭＩＮが最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１未満の場合、燃料電池に供給するアノードガスの供給量を増加させるアノード水詰まり対策処理、及びカソードガスの加湿量を増加させるカソード乾燥対策処理を実施することを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池車両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（燃料極）とカソード（酸化剤極）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）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）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（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）を起こして発電するようになっている。なお、この発電に伴って燃料電池内では水分（特に、水蒸気）が生成される。

ところで、上述した燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を良好に保持するために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。
一方で、燃料電池のカソードでは、上述した発電によって水が生成されるため、燃料電池の運転条件によっては、生成された水がカソード流路等のカソード系内に滞留し、水詰まり（フラッディング）が発生する場合がある。水詰まりが発生すると、カソードの一部または全部が水で被覆され、セル電圧の低下を引き起こす。

そこで、従来では、燃料電池のセル電圧が低下した場合に、カソードに供給するカソードガスの流量を増加させることで、カソード系内に滞留する水の排水を促進させる排水処理を行い、水詰まりを解消する方法が知られている。また、カソードガスの流量を増加させてもセル電圧が回復しない場合には、カソードガスの流量を増加させた状態で、アノード系内をパージすることで、アノード側での排水を促進させる方法も知られている。

しかしながら、燃料電池の内部状態によっては、水の排水を促進させない方が好ましい場合もある。具体的に、カソードの乾燥（ドライアップ）が原因でセル電圧が低下している場合には、上述したような排水処理を行うと、燃料電池の発電性能の更なる低下や、電解質膜の劣化、燃費の悪化等に繋がる。

例えば、下記特許文献１〜４には、燃料電池内の水詰まりや乾燥を解消するための技術が開示されている。
具体的に、特許文献１には、燃料電池の水収支が所定値以下となった場合に、反応がスの供給状態を変更し、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の順に処理を行い、燃料電池の出力を制限する構成が開示されている。
特許文献２には、燃料電池におけるカソードガスの入口部分が乾燥している場合に、冷媒の温度が低下するように制御する構成が開示されている。
特許文献３には、燃料電池の発電運転が電圧低下により停止したとき、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構成が開示されている。
特許文献４には、単セルの電圧低下を検知した場合に、他の単セルの電圧が大きい場合には、水排出処理を行い、他の単セルの電圧が小さい場合には乾燥抑制運転を行う構成が開示されている。

特開２０１０−２５１０９６号公報 特開２０１０−２７３４４号公報 特開２０１０−２１８８７６号公報 特開２０１１−１１３６４７号公報

しかしながら、セル電圧が低下する原因としては、上述した水詰まりや乾燥の他に、単位セルの面内において乾燥と水詰まりが同時に発生（例えば、単位セルの面内において、入口部分では乾燥しているにも関わらず、中央領域では水詰まりが発生している状態等）する、いわゆる水詰まりと乾燥の複合状態がある。この発生原因としては、例えばカソード入口側が乾燥すると、発電がセル面内における一部分（例えば、セル面内で水が残存している部分）に偏る。そのため、セル面内のうち、発電が行われている一部分で水が大量に生成されることで、局所的な水詰まり状態となり、セル面内で乾燥と水詰まりが同時に発生することになる。

これに対して、上述した特許文献１，２の構成には、乾燥時における制御のみしか開示されておらず、水詰まり時や、上述した面内の乾燥と水詰まりの複合状態についての対策が考慮されていない。また、特許文献１の構成では、アノード側とカソード側との制御を、優先順位をつけて行っているため回復までに時間を要する。
また、特許文献３の構成でも、フラッディング用起動処理モードとドライアップ用起動処理モードを別々に行っているため、セル電圧の回復までに時間を要する。
特許文献４の構成にあっても、上述した水詰まりと乾燥の複合状態についての対策は考慮されていない。

そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、燃料電池での水詰まりや乾燥、それらの複合状態を速やかに解消できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池の燃料極（例えば、実施形態におけるアノード）に向けて燃料が流通する燃料供給流路（例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路４２）と、前記燃料電池の酸化剤極に向けて酸化剤（例えば、実施形態におけるカソード）が流通する酸化剤供給流路（例えば、実施形態におけるカソードガス供給流路３１）と、前記燃料供給流路に燃料を供給する燃料供給手段（例えば、実施形態における燃料インジェクタ４４）と、前記酸化剤供給流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ３２）と、酸化剤の加湿量を調整する酸化剤加湿量調整手段（例えば、実施形態におけるカソードガス加湿量調整手段６３）と、前記燃料電池の燃料電池電圧（例えば、実施形態におけるセル電圧ＶＣ）を測定する燃料電池電圧測定手段（例えば、実施形態におけるセル電圧監視手段２１）と、前記燃料電池電圧測定手段により測定される燃料電池電圧に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料、及び酸化剤を制御する制御装置（例えば、実施形態におけるＥＣＵ６）と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池電圧が下限所定値（例えば、実施形態における最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１）を下回った場合、酸化剤の供給量を増加させる酸化剤供給量増加処理（例えば、実施形態におけるカソード水詰まり対策処理）を実施し、前記酸化剤供給量増加処理を実施した後、前記燃料電池電圧が回復所定値（例えば、実施形態における最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１）未満の場合、前記燃料電池に供給する燃料の供給量を増加させる燃料供給量増加処理（例えば、実施形態におけるアノード水詰まり対策処理）、及び酸化剤の加湿量を増加させる酸化剤加湿量増加処理（例えば、実施形態におけるカソード乾燥対策処理）を実施することを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記燃料電池における燃料流路（例えば、実施形態におけるアノード流路４５）のパージ処理を行うパージ手段（例えば、実施形態におけるパージ弁４７）を備え、前記燃料供給量増加処理は、前記パージ手段によるパージ量を増加させることを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記燃料電池を通過した燃料を前記燃料極へ循環させる燃料循環流路（例えば、実施形態におけるアノードオフガス循環流路４９）及び循環ポンプ（例えば、実施形態における循環ポンプ４０）を備え、前記燃料供給量増加処理は、燃料の循環量を増加させることを特徴とする。

請求項４に記載した発明では、前記酸化剤加湿量増加処理は、酸化剤を加湿する加湿器（例えば、実施形態における加湿器３４）による加湿量増加、前記燃料電池を通過した酸化剤を前記酸化剤極へ循環させる酸化剤循環器（例えば、実施形態におけるＥＧＲポンプ７６）の駆動力増加、前記燃料電池内に冷媒を供給する冷媒手段（例えば、実施形態における冷媒手段５）による冷媒流量の増加、前記冷媒手段による冷媒温度の低下、酸化剤利用率の増加、及び酸化剤圧力の増加のうち、少なくとも何れか一つの処理を実施することを特徴とする。

請求項５に記載した発明では、前記制御装置は、前記燃料供給量増加処理、及び前記酸化剤加湿量増加処理を実施した後、前記燃料電池電圧が回復所定値（例えば、実施形態における最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１）以上の場合、第１所定時間（例えば、実施形態における所定時間Ｔ１）経過後に前記燃料供給量増加処理、及び前記酸化剤加湿量増加処理を解除することを特徴とする。

請求項６に記載した発明では、前記制御装置は、前記酸化剤供給量増加処理を実施した後、前記燃料電池電圧が回復所定値（例えば、実施形態における最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１）以上の場合、第２所定時間（例えば、実施形態における所定時間Ｔ２）経過後に前記酸化剤供給量増加処理を解除し、その後、前記燃料電池電圧が再び回復所定値を下回った場合には、前記燃料供給量増加処理、及び前記酸化剤加湿量増加処理を実施することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、酸化剤供給量増加処理を実施しても燃料電池電圧が下限所定値未満の場合、燃料供給量増加処理により燃料極側での水詰まりに留意しつつ、酸化剤加湿量増加処理により酸化剤極側での乾燥対策を行うことで、酸化剤極側及び燃料極側での水詰まりや、酸化剤極側での乾燥、また乾燥と水詰まりの複合状態を解消することができる。
また、燃料供給量増加処理を実施しつつ、酸化剤加湿量増加処理を同時に実施することで、従来のように燃料極側での水詰まり対策処理と酸化剤極側での乾燥対策処理を別々に行う場合に比べて、燃料電池電圧の低下を速やかに解消することができる。そのため、電解質膜の劣化、燃費の悪化を効果的に抑制できる。

請求項２に記載した発明によれば、パージ量を増加して、燃料流路に滞留する窒素等の不純物ガスや、水、水を含んだ燃料の排出を促進させるとともに、これに伴い未反応の燃料が燃料供給手段から燃料極に向けて供給されるので、燃料流路内に滞留する水を吹き飛ばし、燃料極側の水詰まりを解消できる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料の循環量を増加させることで、燃料流路内に滞留する水を吹き飛ばし、燃料極側の水詰まりを解消できる。

請求項４に記載した発明によれば、酸化剤極に供給される供給水分量を増加させたり、酸化剤流路から排出される排出水分量を低下させたりできるので、酸化剤の加湿量を増加して、酸化剤極の乾燥を解消することができる。

ところで、燃料電池の面内全体の乾燥状態が改善されない場合、燃料供給量増加処理、及び酸化剤加湿量増加処理を実施した後、例え燃料電池電圧が一時的に回復したとしても、燃料電池電圧が再度低下する場合もある。
これに対して、請求項５に記載した発明によれば、燃料供給量増加処理、及び酸化剤加湿量増加処理をして燃料電池電圧が回復した場合、第１所定時間経過後に燃料供給量増加処理、及び酸化剤加湿量増加処理を解除するため、燃料電池電圧の一時的な回復だけでなく、発電環境を根本的に解消させることができる。

例えば、酸化剤供給量増加処理を実施して燃料電池電圧が回復所定値を超えた場合に、酸化剤供給量増加処理を解除すると、その後燃料電池電圧が再び低下する可能性がある。これは、酸化剤供給量増加処理によりストイキが上昇して、一時的に燃料電池電圧が上昇したものであり、酸化剤極側での水詰まりは解消しておらず、例えば酸化剤極の下流側で未だ水詰まりが発生している可能性がある。
これに対して、請求項６に記載した発明によれば、酸化剤供給量増加処理を実施して燃料電池電圧が回復した場合、第２所定時間経過後に酸化剤供給量増加処理を解除するため、燃料電池電圧低下の原因が酸化剤極側での水詰まりであるか否かを正確に判断できる。さらに、酸化剤供給量増加処理を解除した後、回復所定値を下回った場合には、燃料電池電圧低下の原因が酸化剤極側の乾燥や、燃料極側の水詰まり、乾燥と水詰まりとの複合状態と判断できる。そのため、その後の燃料供給量増加処理、及び酸化剤加湿量増加処理により燃料電池電圧の低下を確実に解消することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 実施形態に係るＥＣＵのブロック図である。 燃料電池の発電電流ＩＦＣと、流量増量指令値ＧＡＲＥＱＡＩＲＵＰと、の相関を示すマップである。 燃料電池の発電電流ＩＦＣと、ＥＧＲポンプの回転数指令値ＮＥＧＲＲＥＱと、の相関を示すマップである。 燃料電池の発電電流ＩＦＣと、冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、の相関を示すマップである。 燃料電池の発電電流ＩＦＣと、冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、の相関を示すマップである。 発電電流ＩＦＣと、回転数指令値ＮＨ２ＰＭＰＲＥＱと、の相関を示すマップである。 燃料電池システムの動作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。
（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、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば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にカソードガスである空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノード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４と、燃料電池２内に冷媒を流通させて燃料電池２を冷却する冷媒手段５と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（制御装置）６（図２参照）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を配置してセルが構成され、このセル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膜を透過してカソードに移動する。そして、カソードに移動した水素イオンが、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。

燃料電池２には、各単位セルのセル電圧（燃料電池電圧）ＶＣを検出するセル電圧監視手段（燃料電池電圧測定手段）２１が設置されている。セル電圧監視手段２１では、検出された各単位セルのセル電圧ＶＣに応じた電気信号をＥＣＵ６に向けて出力する。また、本実施形態の燃料電池システム１には、燃料電池２から出力される発電電流ＩＦＣを検出する電流センサ（不図示）や、燃料電池２内の圧力（例えば、カソードガス圧力ＰＡＲＥＧ）を検出する圧力センサ等の各種センサが設置され、各センサの検出結果に応じた電気信号がＥＣＵ６に向けて出力される。

（カソードガス供給手段）
カソードガス供給手段３は、燃料電池２のカソードに向けてカソードガスが流通するカソードガス供給流路（酸化剤供給流路）３１を備えている。カソードガス供給流路３１の上流側には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのエアポンプ（酸化剤供給手段）３２がインテイクマニホールド３３を介して接続されている。また、インテイクマニホールド３３には、図示しないエアフローセンサが設置されており、エアポンプ３２によって外部から取り込まれるカソードガス流量Ｑｃを検出し、検出結果の信号を例えばＥＣＵ６に向けて出力する。カソードガス流量Ｑｃは、ＥＣＵ６からエアポンプ３２に出力される流量指令値ＧＡＲＥＱに基づいて制御される。

また、カソードガス供給流路３１のうちエアポンプ３２よりも下流側は、加湿器３４及びカソードガス供給封止弁３５に順に接続され、燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソード流路３６に接続されている。カソード流路３６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、発電や凝縮によって燃料電池２で生成された水が流通するカソードオフガス排出流路３７が接続されている。
カソードオフガス排出流路３７は、カソードガス出口封止弁３８、加湿器３４、及びＣＰＣＶ（カソード圧力制御バルブ）３９に順に接続された後、希釈ＢＯＸ３０に接続されている。

エアポンプ３２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３１を通過した後、燃料電池２のカソード流路３６に供給される。そして、カソード流路３６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３７に排出される。カソードオフガス排出流路３７に排出されたカソードオフガスは、希釈ＢＯＸ３０を通過した後、車外へと排気される。

各封止弁３５，３８は電磁駆動式の封止弁であり、各封止弁３５，３８間、すなわちカソード流路３６内にカソードガスを封止できるように構成されている。
加湿器３４は、中空糸膜等の水分透過膜を備え、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を加湿用ガスとして用い、エアポンプ３２から送出されるカソードガスを加湿する。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。

カソードガス供給流路３１には、加湿器３４を迂回する加湿器バイパス流路７１が加湿器バイパスバルブ７２を介して接続されている。また、カソードガス供給流路３１における加湿器３４の上流側には、燃料電池バイパス流路７４が分岐して設けられている。この燃料電池バイパス流路７４は、燃料電池バイパスバルブ７３を介して、カソードオフガス排出流路３７におけるＣＰＣＶ３９の下流側に接続されている。

カソードオフガス排出流路３７におけるカソードガス出口封止弁３８の上流側には、カソードガス循環流路７５が分岐して設けられている。カソードガス循環流路７５は、ＥＧＲポンプ（酸化剤循環器）７６を介してカソードガス供給流路３１におけるカソードガス供給封止弁３５の下流側に接続されている。
ＥＧＲポンプ７６は、燃料電池２のカソード流路３６から排出されたカソードオフガスの一部を循環させ、エアポンプ３２から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池２のカソードに再び供給する。

（アノードガス供給手段）
アノードガス供給手段４は、アノードガスが充填された水素供給タンク４１を備えている。水素供給タンク４１には、燃料電池２にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路（燃料供給流路）４２が接続されている。アノードガス供給流路４２は、上流側から順に遮断弁４３、燃料インジェクタ（燃料供給手段）４４、エゼクタ７７が接続され、燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノード流路（燃料流路）４５に接続されている。

燃料インジェクタ４４は、ＥＣＵ６からの出力信号により駆動が制御され、アノードガスがアノードガス供給流路４２へ所定の周期で間欠的に供給されるようになっている。また、燃料インジェクタ４４は、燃料電池２に供給されるカソードガス圧力ＰＡＲＥＧを信号圧として、アノードへ供給されるアノードガスの圧力を信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧するものであり、アノードへ供給されるアノードガスの圧力が所定値以下となった場合に開口して、アノードガスが供給されるようになっている。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、燃料インジェクタ４４から供給されたアノードガスは、エゼクタ７７を通ってアノード流路４５に供給される。

アノード流路４５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４６が接続されている。アノードオフガス排出流路４６は、電磁駆動式のパージ弁（パージ手段）４７を介して希釈ＢＯＸ３０に接続されている。希釈ＢＯＸ３０は、アノードオフガス排出流路４６から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出流路４８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、排出流路４８から車外に排出される。なお、希釈ＢＯＸ３０には、アノードオフガス排出流路４６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、アノードオフガス排出流路４６におけるパージ弁４７の上流側には、アノードオフガス循環流路（燃料循環流路）４９が分岐して設けられている。アノードオフガス循環流路４９は、循環ポンプ４０を介してアノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４４の下流側に接続されている。
循環ポンプ４０は、燃料電池２のアノード流路４５から排出されたアノードオフガスの一部を循環させ、水素供給タンク４１から供給されたアノードガスに混合して、燃料電池２のアノードに再び供給する。

また、アノードガス供給流路４２とアノードオフガス排出流路４６との間には、上述したエゼクタ７７に接続されるエゼクタ循環流路７８が設けられており、循環ポンプ４０の未作動時等（例えば、通常走行時等）において、燃料電池２から排出されたアノードオフガスが循環して、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。

冷媒手段５は、燃料電池２内に冷媒を流通させる冷媒流路５１と、冷媒を冷却するラジエータ５２と、ラジエータ５２から排出された冷媒を冷媒流路５１に向けて流通させる冷媒供給流路５３と、冷媒流路５１から排出された冷媒をラジエータ５２に向けて流通させる冷媒排出流路５４と、を備えている。また、冷媒供給流路５３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（ＷＰ）５５が設けられている。
冷媒排出流路５４には、ラジエータ５２をバイパスして冷媒供給流路５３に冷却水を供給するラジエータバイパス流路５６が接続されている。ラジエータバイパス流路５６における冷媒供給流路５３との接続部分には、ラジエータ５２とラジエータバイパス流路５６との間で冷媒の流通経路を選択する可変サーモ５７が設けられている。

冷媒流路５１を流通する冷媒は、燃料電池２との熱交換によって暖められた後、冷媒排出流路５４を通り、ウォータポンプ５５によってラジエータ５２に向けて送出される。そして、冷媒はラジエータ５２において放熱された後、冷媒供給流路５３を通って再び燃料電池２に供給される。また、燃料電池２の温度を上昇させたいときには、可変サーモ５７により冷媒をラジエータバイパス流路５６に流通させ、ラジエータ５２をバイパスすることにより、ラジエータ５２からの放熱を禁止する。

（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
ＥＣＵ６は、セル電圧判定手段６１と、カソードガス供給量調整手段６２と、カソードガス加湿量調整手段（酸化剤加湿量調整手段）６３と、アノードガス供給量調整手段６４と、計時手段６５と、を主に有している。

セル電圧判定手段６１は、セル電圧監視手段２１により測定されるセル電圧ＶＣに基づいて、燃料電池２の異常（水詰まりや乾燥、それらの複合状態等）を判定する異常判定と、燃料電池２の異常が解消されたか否かの回復判定と、を行うものである。
具体的に、セル電圧判定手段６１には、最低セル電圧閾値（下限所定値及び回復所定値）ＶＣＭＩＮ１が記憶されている。そして、各単位セルのセル電圧ＶＣのうち最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１を下回った場合（未満の場合）には異常判定、または燃料電池２の異常が解消されていないと判定する。一方、最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１以上の場合には回復判定、または燃料電池２が正常であると判定する。

カソードガス供給量調整手段６２は、例えば最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１を下回った場合に、カソードガス流量Ｑｃを通常発電時よりも増加させる（以下、カソード水詰まり対策処理という）。具体的に、カソードガス供給量調整手段６２には、図３に示すように、燃料電池２の発電電流ＩＦＣと、流量増量指令値ＧＡＲＥＱＡＩＲＵＰと、の相関を示すマップが記憶され、このマップに基づいてエアポンプ３２の流量指令値ＧＡＲＥＱが設定される。なお、図３のマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど、流量増量指令値ＧＡＲＥＱＡＩＲＵＰが大きくなるように設定されている。

カソードガス加湿量調整手段６３は、例えば最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１を下回った場合に、カソードガスの加湿量（水分量）を通常発電時よりも増加させる（以下、カソード乾燥対策処理という）。具体的に、カソード乾燥対策処理としては、以下に示す方法のうち、少なくとも何れかの方法で行うことが可能である。
（１）加湿器バイパスバルブ７２を全閉する等して、エアポンプ３２から送出されるカソードガスが全て加湿器３４を通過するように設定する。これにより、燃料電池２のカソード側に供給される供給水分量を増加して、カソードガスの加湿量（燃料電池２の水分量）を増加できる。

（２）カソードガス圧力ＰＡＲＥＧを通常発電時に比べて増加させる。具体的には、カソードガス圧力ＰＡＲＥＧを圧力増加指令値ＰＡＲＥＧＵＰに設定し、この圧力増加指令値ＰＡＲＥＧＵＰに基づいて、例えばＣＰＣＶ３９の開度を調整する。これにより、燃料電池２のカソードでの水の滞留が促進され、カソード側から排出される排出水分量を低下できるので、カソードガスの加湿量を増加できる。

（３）カソードストイキ（燃料電池２への供給量／理論空気消費量）を低下させる（酸化剤利用率を増加させる）。具体的に、カソードストイキを低下させるには、エアポンプ３２の流量指令値ＧＡＲＥＱを、通常発電時よりも少ない流量減量指令値ＧＡＲＥＱＤＯＷＮに設定する等して、カソードガス流量Ｑｃを低下させる。すなわち、カソードガス流量Ｑｃが低下することで、燃料電池２から排出される排出水分量が低下するため、カソードガスの加湿量（燃料電池２の水分量）の増加に繋がる。

（４）ＥＧＲポンプ７６を回転させ、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を燃料電池２に再度供給する。これにより、燃料電池２のカソード側に供給される供給水分量を増加して、カソードガスの加湿量（燃料電池２の水分量）を増加できる。
なお、ＥＧＲポンプ７６の回転数指令値ＮＥＧＲＲＥＱは、発電電流ＩＦＣとの相関を示すマップに基づいて設定する（図４参照）。具体的に、図４に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど回転数指令値ＮＥＧＲＲＥＱが増加するように設定されている。これは、発電電流ＩＦＣが大きい方が、カソード差圧（カソードの入口−出口間での差圧）が大きくなり、ＥＧＲポンプ７６の回転数ＮＥＧＲを増加させる必要があるためである。

（５）冷媒流路５１（燃料電池２）に流入させる冷媒流量ＱＷ（スタック入口冷媒流量）を、通常発電時よりも増加させる。冷媒流量ＱＷを増加させることで、結露等によって水が燃料電池２内に滞留し易くなるので、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される排出水分量を低下させ、カソードガスの加湿量（燃料電池２の水分量）の増加に繋がる。
なお、冷媒流量ＱＷは、冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、発電電流ＩＦＣと、の相関を示すマップに基づいて設定する（図５参照）。図５に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱが増加するように設定されている。そして、設定された冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱに基づいて、ウォータポンプ５５の回転数を制御することで、冷媒流量ＱＷを調整する。

（６）冷媒流路５１（燃料電池２）に流入させる冷媒温度ＴＷ（スタック入口冷媒温度）を、通常発電時よりも低下させる。冷媒温度ＴＷを低下させることで、結露等によって水が燃料電池２内に滞留し易くなるので、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される排出水分量を低下させ、カソードガスの加湿量（燃料電池２の水分量）の増加に繋がる。
冷媒温度ＴＷは、冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、発電電流ＩＦＣと、の相関を示すマップに基づいて設定する（図６参照）。図６に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど、冷媒温度ＴＷが低下するように設定されている。そして、設定された冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱに基づいて、可変サーモ５７の開度指令を変更することで、冷媒手段５を流通する冷媒のうち、ラジエータバイパス流路５６を流通する冷媒バイパス量を通常発電時に比べて低下させ、冷媒温度ＴＷを調整する。なお、図６中破線は、通常発電時における冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、発電電流ＩＦＣと、の相関（ベース値）を示している。

アノードガス供給量調整手段６４は、上述したカソード乾燥対策処理と同時に、例えばアノードガスの供給量を通常発電時よりも増加させる（以下、アノード水詰まり対策処理という）。具体的に、アノード水詰まり対策処理としては、以下に示す方法で行うことが可能である。

（１）循環ポンプ４０を回転させ、アノードガス供給手段４内に残存する未反応のアノードガスを燃料電池２に再度供給する。これにより、アノードガスの循環量が増加するため、アノード流路４５内に滞留する水を吹き飛ばし、アノード側の水詰まりを解消できる。
なお、循環ポンプ４０の回転数指令値ＮＨ２ＰＭＰＲＥＱは、図７に示す発電電流ＩＦＣと、回転数指令値ＮＨ２ＰＭＰＲＥＱと、の相関を示すマップに基づいて設定する。図７に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど循環ポンプ４０の回転数指令値ＮＨ２ＰＭＰＲＥＱが増加するように設定されている。これは、発電電流ＩＦＣが大きい方が、アノード差圧（アノードの入口−出口間での差圧）が大きくなり、循環ポンプ４０の回転数ＮＨ２ＰＭＰを増加させる必要があるためである。

（２）パージ時間（パージ弁４７の開弁時間）を増加する。これにより、アノード流路４５内に滞留する窒素等の不純物ガスや、水、水を含んだアノードガスの排出を促進させるとともに、これに伴い未反応のアノードガスが燃料インジェクタ４４からアノードに向けて供給されるので、アノード流路４５内に滞留する水を吹き飛ばし、アノード側の水詰まりを解消できる。

計時手段６５は、上述したカソードガス供給量調整手段６２によるカソード水詰まり対策処理の終了判断を行うものであり、カソード水詰まり対策処理の開始から所定時間（第２所定時間）Ｔ２を経過したか否かを判定する。
また、計時手段６５は、上述したカソード乾燥対策処理、及びアノード水詰まり対策処理の終了判断も行うものであり、カソード乾燥対策処理、及びアノード水詰まり対策処理の開始から所定時間（第１所定時間）Ｔ１を経過したか否かを判定する。なお、所定時間Ｔ１，Ｔ２は、電流密度等に基づいて、燃料電池２の異常が発生してから解消するまでの時間を予め求めておくことが好ましい。

（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。図８は、燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
図８に示すように、まずステップＳ１において、セル電圧判定手段６１は燃料電池２の最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１未満か否かを判定する。

ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合（ＶＣＭＩＮ≧ＶＣＭＩＮ１の場合）、燃料電池２は正常な発電状態であると判定する。この場合、ステップＳ１の判定を定期的に繰り返す。
ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＶＣＭＩＮ＜ＶＣＭＩＮ１の場合）、燃料電池２に何らかの異常が発生していると判定して、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、カソード水詰まり対策処理を行う。具体的には、カソードガス供給量調整手段６２に記憶されたマップに基づいて、エアポンプの流量指令値ＧＡＲＥＱを流量増加指令値ＧＡＲＥＱＡＩＲＵＰに設定し、カソードガス流量Ｑｃを増加させる。

続いて、ステップＳ３において、上述したカソード水詰まり対策処理により、セル電圧ＶＣが回復したか否かを判定する。具体的に、セル電圧判定手段６１は、燃料電池２の最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１以上（ＶＣＭＩＮ≧ＶＣＭＩＮ１）であるか否かを判定する。

ステップＳ３の判定結果が「ＮＯ」の場合（ＶＣＭＩＮ＜ＶＣＭＩＮ１の場合）、すなわち上述したカソード水詰まり対策処理を実施してもセル電圧ＶＣが回復しない場合には、セル電圧ＶＣの低下の原因がカソードの水詰まりではないと判定して、後述するステップＳ７に進む。
一方、ステップＳ３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＶＣＭＩＮ≧ＶＣＭＩＮ１の場合）、セル電圧が回復したと判定して、ステップＳ４に進む。この場合、セル電圧ＶＣの低下の原因として、カソードの水詰まりの可能性があると判定することができる。

続いて、ステップＳ４において、計時手段６５はカソード水詰まり対策処理の開始から所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。

ステップＳ４の判定結果が「ＮＯ」の場合、所定時間Ｔ２が経過していないと判定して、ステップＳ４を繰り返す。
一方、ステップＳ４の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、所定時間Ｔ２が経過したと判定して、ステップＳ５に進む。

次に、ステップＳ５において、カソード水詰まり対策処理を終了する。具体的に、カソードガス供給量調整手段６２は、エアポンプ３２の流量指令値ＧＡＲＥＱを通常発電時の流量指令値（流量通常指令値ＧＡＲＥＱＮＭＬ）に設定し、カソードガス流量Ｑｃを通常発電時の流量に戻す。

なお、ステップＳ３の判定でセル電圧ＶＣが回復したと判断されたにも関わらず、上述したステップＳ４でカソード水詰まり処理を所定時間Ｔ２経過させる理由としては、後述するステップＳ６におけるセル電圧ＶＣの回復判定が、カソードの水詰まりを解消したことによるものか、カソードストイキの上昇によるものなのか、を正確に判定するためである。すなわち、ステップＳ３においてカソードガス流量Ｑｃを増加させると、カソードストイキが上昇することで、一時的にセル電圧ＶＣは上昇する。
しかしながら、その時点では、燃料電池２内での水詰まりが完全に解消しておらず、例えばカソードの下流側で未だ水詰まりが発生している可能性がある。この場合、カソード水詰まり対策処理を解除すると、その後セル電圧ＶＣが再び低下する可能性がある。
したがって、ステップＳ５でのセル電圧ＶＣの回復判定がカソード側での水詰まりの解消であることを正確に判定するためには、カソードで水詰まりが発生している場合に燃料電池２内の水を十分に吹き飛ばす程度の時間（所定時間Ｔ２）を設定する必要がある。

続いて、ステップＳ６において、上述したカソード水詰まり対策処理により、セル電圧ＶＣが回復したか否かを判定する。具体的に、セル電圧判定手段６１は、上述したステップＳ３と同様に、燃料電池２の最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１以上であるか否かを判定する。

ステップＳ６の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＶＣＭＩＮ≧ＶＣＭＩＮ１の場合）、セル電圧ＶＣが回復したと判定して、本フローを終了する。この場合、セル電圧ＶＣの低下の原因がカソードの水詰まりであり、上述したカソード水詰まり対策処理によって、燃料電池２内に存在する水を吹き飛ばしたことで、水詰まりが解消されたと判定することができる。

一方、ステップＳ６の判定結果が「ＮＯ」の場合（ＶＣＭＩＮ＜ＶＣＭＩＮ１の場合）、すなわち上述したカソード水詰まり対策処理を実施してもセル電圧ＶＣが回復しない場合には、セル電圧ＶＣの低下の原因は、カソードの水詰まりではないと判定して、ステップＳ７に進む。

ここで、セル電圧ＶＣの低下の原因がカソード側の水詰まりではない場合、その他の原因としては、カソード入口側の乾燥や、アノード側の水詰まり、乾燥と水詰まりとの複合状態が考えられる。なお、乾燥と水詰まりとの複合状態とは、カソード入口またはアノード入口側の乾燥が発生すると、発電がセル面内における一部分（例えば、セル面内で水が残存している部分）に偏る。そのため、セル面内のうち、発電が行われている一部分で水が大量に生成されることで、局所的な水詰まり状態となり、セル面内で乾燥と水詰まりが同時に発生することである。

また、カソード側が乾燥している場合は、カソード側での水蒸気分圧が小さいため、発電時にカソードで生成された水は電解質膜で取り込まれることなく、カソードオフガスとともに排出され易い。そのため、生成された水が、電解質膜を透過してカソード側からアノード側への移動する、いわゆるバックディフュージョンも少なくなり、アノード側での水分量も少なくなる。

そこで、ステップＳ７では、カソード側の加湿量を増加させるカソード乾燥対策処理と、アノードガスの供給量を増加させるアノード水詰まり対策処理と、を同時に行う。具体的に、カソードガス加湿量調整手段６３は、上述した方法（１）〜（６）のうち、少なくとも何れかの方法により、カソードガスの加湿量を増加させる。
また、アノードガス供給量調整手段６４は、上述した方法（１），（２）のうち、少なくとも何れかの方法により、燃料電池２へのアノードガスの供給量を増加させる。

次に、ステップＳ８において、上述したカソード乾燥対策処理、及びアノード水詰まり対策処理により、セル電圧ＶＣが回復したか否かを判定する。具体的に、セル電圧判定手段６１は、上述したステップＳ３と同様に、燃料電池２の最低セル電圧ＶＣＭＩＮが、最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１以上であるか否かを判定する。

ステップＳ８の判定結果が「ＮＯ」の場合（ＶＣＭＩＮ＜ＶＣＭＩＮ１の場合）には、未だ最低セル電圧ＶＣＭＩＮは回復していないと判定する。この場合には、上述したカソード乾燥対策処理、及びアノード水詰まり対策処理を継続して行う。
一方、ステップＳ８の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＶＣＭＩＮ≧ＶＣＭＩＮ１の場合）、セル電圧ＶＣが回復したと判定して、ステップＳ９に進む。この場合、セル電圧ＶＣの低下の原因が、カソード側の乾燥や、アノード側の水詰まり、乾燥と水詰まりとの複合状態であったと判定することができる。

次に、ステップＳ９において、計時手段６５は上述したカソード乾燥対策処理、及びアノード水詰まり対策処理の開始から所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。

ステップＳ９の判定結果が「ＮＯ」の場合、所定時間Ｔ１が経過していないと判定して、ステップＳ９を繰り返す。
一方、ステップＳ９の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、所定時間Ｔ１が経過したと判定して、ステップＳ１０に進む。

なお、ステップＳ８の判定でセル電圧ＶＣが回復したと判断されたにも関わらず、上述したステップＳ９でカソード水詰まり処理を所定時間Ｔ１経過させる理由は以下の通りである。すなわち、セル面内全体の乾燥状態が改善されない場合、カソード加湿量対策処理及びアノード供給量対策処理を実施した後、例えセル電圧ＶＣが一時的に回復したとしても、セル電圧ＶＣが再度低下する場合もある。そのため、セル電圧ＶＣの一時的な回復だけでなく、カソード側の乾燥を確実に解消させ、発電環境を根本的に解消させるためである。

そして、最後にステップＳ１０において、カソード乾燥対策処理、及びアノード水詰まり対策処理を終了する。以上により、本フローを終了する。

このように、本実施形態では、カソード水詰まり対策処理を実施してもセル電圧ＶＣが最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１未満の場合、アノード水詰まり対策処理によりアノード側での水詰まりに留意しつつ、カソード乾燥対策処理によりカソード側での乾燥対策を行うことで、カソード側及びアノード側での水詰まりや、カソード側での乾燥、また乾燥と水詰まりの複合状態を解消することができる。
また、アノード水詰まり対策処理を実施しつつ、カソード乾燥対策処理を同時に実施することで、従来のようにアノード水詰まり対策処理とカソード乾燥対策処理を別々に行う場合に比べて、セル電圧ＶＣ低下を速やかに解消することができる。そのため、電解質膜の劣化、燃費の悪化を効果的に抑制できる。

さらに、本実施形態では、カソード水詰まり対策処理を実施してセル電圧ＶＣが回復した場合、所定時間Ｔ２経過後にカソード水詰まり対策処理を解除するため、セル電圧ＶＣ低下の原因がカソードの水詰まりであるか否かを正確に判断できる。
また、カソード水詰まり対策処理を解除した後、セル電圧ＶＣが再び低下した場合には、セル電圧ＶＣ低下の原因がカソード側の水詰まり以外であると判断できる。そのため、その後のアノード水詰まり対策処理、及びカソード乾燥対策処理によりセル電圧ＶＣの低下を確実に解消することができる。

また、本実施形態では、アノード水詰まり対策処理及びカソード乾燥対策処理を実施してセル電圧ＶＣが回復した場合、所定時間Ｔ１経過後にアノード水詰まり対策処理及びカソード乾燥対策処理を解除するため、セル電圧ＶＣの一時的な回復だけでなく、発電環境を根本的に解消させることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、セル電圧ＶＣ低下を最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１に基づいて判定する構成について説明したが、これに限らず、セル電圧低下幅ＶＤＬＯＷに基づいて判定しても構わない。セル電圧低下幅ＶＤＬＯＷは、平均セル電圧（出力電圧ＶＦＣ／セル数）ＶＣＥＬＬＡＶＥと、最低セル電圧ＶＣＥＬＬＭＩＮと、の差により求めることができる（セル電圧低下幅ＶＤＬＯＷ＝ＶＣＥＬＬＡＶＥ−ＶＣＥＬＬＭＩＮ）。そして、セル電圧低下幅ＶＤＬＯＷが、セル電圧低下幅閾値ＶＤＬＯＷ１を下回った場合にセル電圧ＶＣＥＬＬの低下を判定することができる。

また、上述した実施形態では、ステップＳ１でのセル電圧ＶＣ低下の判定（下限所定値）と、ステップＳ３，６，８のセル電圧ＶＣ回復の判定（回復所定値）と、を同値の閾値（最低セル電圧閾値ＶＣＭＩＮ１）に基づいて判定したが、これに限られない。すなわち、ステップＳ１でのセル電圧ＶＣ低下の判定と、ステップＳ３，６，８のセル電圧ＶＣ回復の判定と、で閾値を変更しても構わない。この場合、ステップＳ３，６，８での回復所定値が、ステップＳ１での下限所定値よりも高くなるように設定することが好ましい。

また、上述した実施形態では、燃料供給手段として燃料インジェクタ４４を用いる構成について説明したが、これに限らず、レギュレータ等を用いても構わない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１…燃料電池システム ２…燃料電池（燃料電池スタック） ５…冷媒手段 ６…ＥＣＵ（制御装置） ２１…セル電圧監視手段（燃料電池電圧測定手段） ３１…カソードガス供給流路（酸化剤供給流路） ３２…エアポンプ（酸化剤供給手段） ３４…加湿器 ４０…循環ポンプ ４２…アノードガス供給流路（燃料供給流路） ４４…燃料インジェクタ（燃料供給手段） ４５…アノード流路（燃料流路） ４７…パージ弁（パージ手段） ４９…アノードオフガス循環流路（燃料循環流路） ６１…セル電圧判定手段（制御装置） ６２…カソードガス供給量調整手段（制御装置） ６３…カソードガス加湿量調整手段（酸化剤加湿量調整手段） ７６…ＥＧＲポンプ（酸化剤循環器） Ｔ１…所定時間（第１所定時間） Ｔ２…所定時間（第２所定時間）

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に向けて燃料が流通する燃料供給流路と、
   前記燃料電池の酸化剤極に向けて酸化剤が流通する酸化剤供給流路と、
   前記燃料供給流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記酸化剤供給流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
   酸化剤の加湿量を調整する酸化剤加湿量調整手段と、
   前記燃料電池の燃料電池電圧を測定する燃料電池電圧測定手段と、
   前記燃料電池電圧測定手段により測定される燃料電池電圧に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料、及び酸化剤を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池電圧が下限所定値を下回った場合、酸化剤の供給量を増加させる酸化剤供給量増加処理を実施し、
   前記酸化剤供給量増加処理を実施した後、前記燃料電池電圧が回復所定値未満の場合、前記燃料電池に供給する燃料の供給量を増加させる燃料供給量増加処理、及び酸化剤の加湿量を増加させる酸化剤加湿量増加処理を実施することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池における燃料流路のパージ処理を行うパージ手段を備え、
   前記燃料供給量増加処理は、前記パージ手段によるパージ量を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池を通過した燃料を前記燃料極へ循環させる燃料循環流路及び循環ポンプを備え、
   前記燃料供給量増加処理は、燃料の循環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２記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤加湿量増加処理は、
   酸化剤を加湿する加湿器による加湿量増加、前記燃料電池を通過した酸化剤を前記酸化剤極へ循環させる酸化剤循環器の駆動力増加、前記燃料電池内に冷媒を供給する冷媒手段による冷媒流量の増加、前記冷媒手段による冷媒温度の低下、酸化剤利用率の増加、及び酸化剤圧力の増加のうち、少なくとも何れか一つの処理を実施することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記燃料供給量増加処理、及び前記酸化剤加湿量増加処理を実施した後、前記燃料電池電圧が回復所定値以上の場合、第１所定時間経過後に前記燃料供給量増加処理、及び前記酸化剤加湿量増加処理を解除することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置は、前記酸化剤供給量増加処理を実施した後、前記燃料電池電圧が回復所定値以上の場合、第２所定時間経過後に前記酸化剤供給量増加処理を解除し、
   その後、前記燃料電池電圧が再び回復所定値を下回った場合には、前記燃料供給量増加処理、及び前記酸化剤加湿量増加処理を実施することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

Images