JP2016167376A - 固体高分子形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】セルの劣化を抑制しつつ運転効率を高めた固体高分子形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷却水循環路１９に備えられた圧力調整弁Ｖ１あるいはポンプＰ１のうち少なくとも一方を制御して、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差を調整する調整動作を行う動作制御部と、燃料電池ＦＣの出力電圧の時間に対する低下率である電圧低下率に基づいて上述の調整動作を行うか否かを決定する動作決定部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んで構成されるセルを、冷却水を通流させる冷却水流路を有し導電性多孔質である冷却部を介して、複数積層してなる燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記冷却水流路から流出した冷却水を循環させて前記冷却水流路に供給する冷却水循環路とを有する固体高分子形燃料電池システムに関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んで構成されるセルを複数積層して備えて構成される。固体高分子形燃料電池を発電運転させるとき、燃料極には燃料ガス（水素）を供給し、酸素極には酸素含有ガスを供給する。酸素極には酸素含有ガスが通流する酸素含有ガス流路が設けられる。固体高分子電解質膜は、燃料極で発生した水素イオンを酸素極まで移動させる役割を担っている。

固体高分子電解質膜は、適度に湿潤した状態で良好な水素イオン伝導性を発揮する。そのため、固体高分子形燃料電池の運転にあたっては固体高分子電解質膜の加湿を行う必要がある。加湿の方式としては、セルスタックの外部から加湿を行う外部加湿方式と、次に述べる内部加湿方式が知られている。

特許文献１に開示された内部加湿方式では、循環冷却水を充満された中央通路を有する微孔のある導体分離体が、電解質膜へ水分を供給するために使用される。燃料電池の反応で生じた余剰の水分は、陰極側反応物質流動領域と冷却水循環通路との間の圧力差によって、水循環路へと送られる。

特許文献２では、特許文献１の内部加湿方式の問題点として、長時間の運転や装置の経年劣化に伴い、上述の余剰水分の除去能力を超える量の水が局所的に発生して燃料電池内部の拡散性が阻害されるいわゆるフラッディングや、電解質膜の保湿不足の発生が指摘されている。これらが発生した場合、燃料電池の特性が低下し、耐久性が加速度的に損なわれるとされている。

これを解決するため特許文献２の装置では、循環冷却水の圧力を低下制御して酸化剤極および空気極とセパレータとの圧力差を上昇させる動作（調整動作）を行うことが提案されている。これによりフラッディング現象や保水性不足を解消できるとされている。

特表平１１−５０８７２６号公報 特開２００８−１９８４９６号公報

特許文献２の装置において、上述の調整動作は燃料電池の累積運転時間が所定時間を上回った場合や、燃料電池スタックの電圧が低下した場合に行われる。しかし累積運転時間に基づいて調整動作を行うように装置を構成すると、想定した時期よりも早期にフラッディング現象や保水性不足が生じた場合には調整動作が行われないまま運転が継続し、セル（燃料電池スタック）を劣化させてしまう虞がある。また、燃料電池スタックの電圧が単に低下した場合に調整動作を行うように装置を構成すると、未だ調整動作が必要とされていない状態であっても、出力変動の過渡期などに調整動作を実行してしまうので、その間は発電が行われず、燃料電池の運転効率が無駄に低くなってしまう。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルの劣化を抑制しつつ運転効率を高めた固体高分子形燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの特徴構成は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んで構成されるセルを、冷却水を通流させる冷却水流路を有し導電性多孔質である冷却部を介して、複数積層してなる燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記冷却水流路から流出した冷却水を循環させて前記冷却水流路に供給する冷却水循環路と、前記冷却水循環路に備えられた圧力調整弁あるいはポンプのうち少なくとも一方を制御して、前記燃料ガス供給路における燃料ガスの圧力と前記冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差を調整する調整動作を行う動作制御部と、前記燃料電池の出力電圧の時間に対する低下率である電圧低下率に基づいて前記調整動作を行うか否かを決定する動作決定部とを有する点にある。

上記の特徴構成によれば、冷却水循環路に備えられた圧力調整弁あるいはポンプのうち少なくとも一方を制御して、燃料ガス供給路における燃料ガスの圧力と冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差を調整する調整動作を行う動作制御部と、燃料電池の出力電圧の時間に対する低下率である電圧低下率に基づいて調整動作を行うか否かを決定する動作決定部とを有するので、燃料電池の実際の状態に基づいて調整動作を行うことができ、セルの劣化を抑制することができる。また単なる出力電圧値ではなく、出力電圧の時間に対する低下率である電圧低下率に基づいて調整動作を行うので、適切なタイミングで調整動作を実行でき、固体高分子形燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記動作決定部は、前記電圧低下率が予め設定された低下率閾値を上回った場合に前記調整動作が必要であると決定する点にある。

上記の特徴構成によれば、動作決定部は、電圧低下率が予め設定された低下率閾値を上回った場合に調整動作が必要であると決定するから、電圧低下率が小さい場合には調整動作を行わないことで運転効率を高め、かつ、電圧低下率が大きいときには調整動作を行って、フラッディング現象や保水性不足を適切に解消できる。このため、固体高分子形燃料電池システムの運転効率を更に高めることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記動作決定部は、前記電圧低下率が予め設定された低下率閾値を上回る状態が、予め設定された低下継続時間閾値を超えて継続した場合に前記調整動作が必要であると決定する点にある。

上記の特徴構成によれば、動作決定部は、電圧低下率が予め設定された低下率閾値を上回る状態が、予め設定された低下継続時間閾値を超えて継続した場合に調整動作が必要であると決定するから、更に適切なタイミングで調整動作を実行することができる。すなわち、電圧低下率が低い状態が長く続くと、フラッディング現象や保水性不足が発生している可能性が非常に高いと推測できるから、単に出力電圧に基づいて調整動作を行う場合と比べ、固体高分子形燃料電池システムの運転効率を更に高めることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記動作制御部は、前回の調整動作からの経過時間が予め設定された調整動作禁止時間を超えていない場合には、前記動作決定部による決定にかかわらず前記調整動作を行わない点にある。

調整動作を一度行った後しばらくの期間は、フラッディング現象や保水性不足が発生する可能性は低くなる。上記の特徴構成によれば、動作制御部は、前回の調整動作からの経過時間が予め設定された調整動作禁止時間を超えていない場合には、動作決定部による決定にかかわらず調整動作を行わないから、フラッディング現象・保水性不足が発生する可能性が低い期間に調整動作を行うことを回避でき、固体高分子形燃料電池システムの運転効率を更に高めることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの別の特徴構成は、前記動作制御部は、前記燃料電池への出力の指示値である出力指示値を参照し、予め設定された出力指示値確認期間だけ以前の時点から現在までの期間における前記出力指示値の変化幅が、予め設定された出力指示変動閾値よりも大きい場合には、前記動作決定部による決定にかかわらず前記調整動作を行わない点にある。

出力指示値が変更された後しばらくの間は、燃料電池の出力電圧は大きく変動する可能性が高い。すると、実際にはフラッディング現象や保水性不足が発生していないにもかかわらず、動作決定部により調整動作を行うことが決定される可能性がある。上記の特徴構成によれば、動作制御部は、燃料電池への出力の指示値である出力指示値を参照し、予め設定された出力指示値確認期間だけ以前の時点から現在までの期間における出力指示値の変化幅が、予め設定された出力指示変動閾値よりも大きい場合には、動作決定部による決定にかかわらず調整動作を行わないので、出力指示値の変化に起因する燃料電池の出力電圧低下が生じた場合に調整動作を行うことを回避でき、固体高分子形燃料電池システムの運転効率を更に高めることができる。

固体高分子形燃料電池の構成を示す概略図 第１実施形態に係る調整動作制御を示すフローチャート 第２実施形態に係る調整動作制御を示すフローチャート 調整動作制御の説明図

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態に係る燃料電池システムの構成および動作について説明する。燃料電池システムは、固体高分子形燃料電池ＦＣ（以下単に「燃料電池ＦＣ」を記載する）を備える。燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜４を燃料極３と酸素極５とで挟んで構成されるセルＣを、冷却水を通流させる冷却水流路を有し導電性多孔質である冷却部６を介して、複数積層してなる。尚、図１中では簡略化のため単一のセルＣのみを記載している。燃料極３には燃料ガス（水素）が供給され、酸素極５には酸素含有ガス（空気）が供給され、もって発電が行われる。

冷却部６は、導電性を有しかつ多孔質である材料により形成される。例えば、カーボンのプレートが用いられる。これにより冷却部６の冷却水流路を通流する冷却水が、燃料極３を通じて電解質膜４に供給される。

冷却部６には冷却水循環路１９を循環する水（以下、「冷却水」と記載する）が供給されて、燃料電池ＦＣの冷却が行われる。冷却部６を通過することで温度が上昇した冷却水は、冷却水循環路１９の途中に設けられた熱交換器８に流入する。この熱交換器８において、冷却水は、排熱回収路２５を流れる湯水と熱交換して燃料電池ＦＣから回収した排熱をその湯水に渡す。湯水は、貯湯タンク７に貯えられ、そこで蓄熱が行われる。

改質器１には、炭化水素を含む原燃料（例えば、メタンを含む都市ガスなど）が供給され、及び、冷却水循環路１９から分岐した改質用水供給路２０を介し弁Ｖ２を通じて水が供給される。改質器１は、併設される燃焼器２から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。改質器１での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスは、燃料ガス供給路１４を介して燃料極３に供給される。

燃料極３では、供給された全ての燃料ガスが発電反応で消費される訳ではない。そのため、燃料極３から排出される燃料極排ガスの中には水素等の燃料ガスの成分が残存している。そこで、燃焼器２での燃焼用ガスとして、燃料極排ガスを利用している。具体的には、燃料極３から燃焼器２へ、燃料極排ガス路１５を介して燃料極排ガスを供給する。燃焼器２で燃焼された後の燃焼排ガスは、燃焼排ガス路１６を介して外部に排出される。

燃料極排ガス及び燃焼排ガスには水分が含まれている。そのため、その水分を回収する目的で、燃料極排ガス路１５及び燃焼排ガス路１６の途中に水回収器２１、２２を設けている。水回収器２１、２２は、例えば、凝縮器とドレントラップとを組み合わせて構成される。つまり、燃料極排ガス及び燃焼排ガスに含まれる水分が凝縮器によって凝縮され、その凝縮水がドレントラップによって取り出される。ドレントラップによって取り出された水は水回収タンク１０へと回収され、冷却水循環路１９を循環する水として再利用される。

このように、冷却水循環路１９を流れる冷却水は、燃料極排ガス中に含まれていた水分や、燃焼排ガス中に含まれていた水分が混入しているため、電解質や水に溶解しない不純物などを含んでいることが想定される。そのため、本実施形態の燃料電池システムは、冷却水循環路１９を流れる冷却水が、冷却水循環路１９の途中に設けられる水処理装置９によって処理されるように構成してある。本実施形態において、水処理装置９は、冷却水中に存在している有機物などを吸着可能な吸着材９ａと、冷却水中に溶存しているイオンを除去可能なイオン交換樹脂９ｂとを含む。水処理装置９は、これら吸着材９ａ及びイオン交換樹脂９ｂの一方のみで構成されてもよく、或いは、これら以外の手段を備えてもよい。例えば逆浸透膜などを併用してもよい。

イオン交換樹脂９ｂは、冷却水に溶存している電解質のイオン（例えば、イオン化して溶存している塩類やアンモニアなど）を例えばＨ⁺、ＯＨ^-と交換することで、冷却水に含まれる電解質の濃度を相対的に低くさせる（即ち、電気伝導度を低くさせる）機能を果たす。例えば、水処理装置９よりも下流側の冷却水循環路１９を流れる冷却水の電気伝導度は、１μＳ／ｃｍ〜１０μＳ／ｃｍ程度であることが好ましい。

吸着材９ａは例えば活性炭等を備えて構成され、冷却水に含まれる有機物（例えば、シロキサン、無極性又は極性有機分子、微生物や微生物の分泌物、油分等）などの被吸着物を吸着するという機能を発揮する。例えば、水処理装置９よりも下流側の冷却水循環路１９を流れる冷却水の油分濃度は、０．０１ｗｔｐｐｍ〜１ｗｔｐｐｍ程度であることが好ましい。

上述した熱交換器８において冷却水から回収した排熱（即ち、燃料電池ＦＣから回収した排熱）は、排熱回収路２５を流れる湯水に与えられ、その湯水は貯湯タンク７に貯えられる。本実施形態において、燃料電池ＦＣの排熱を回収する排熱回収装置１２は、貯湯タンク７と補助熱源機１１とを備える。具体的には、排熱回収装置１２は、貯湯タンク７に貯えている湯水が貯湯タンク７と熱交換器８との間で循環する排熱回収路２５を有する。排熱回収路２５における湯水の流速はポンプＰ２によって調整される。また、排熱回収装置１２は、貯湯タンク７に蓄えている湯水が補助熱源機１１を経由して熱利用装置１３に供給される湯水循環路２６を有する。湯水循環路２６における湯水の流速はポンプＰ３によって調整される。熱利用装置１３が、湯水の熱のみを利用する床暖房装置などの場合、熱利用装置１３で熱が利用された後の湯水は湯水循環路２６を通って貯湯タンク７に帰還する。或いは、熱利用装置１３が、湯水自体を利用する給湯装置などの場合、貯湯タンク７には湯水は帰還しない。補助熱源機１１は、熱利用装置１３で要求される湯水を所定温度に昇温した上で熱利用装置１３に供給する際に使用される。

燃料電池ＦＣが発電運転を行っている間、運転制御装置２７は、改質器１および燃焼器２を動作させて改質器１から燃料ガスを燃料極３に供給し、酸素含有ガス供給路１７に設けられたブロア（図示せず）を動作させて空気（酸素含有ガス）を酸素極５に供給する。その結果、セルＣでは発電反応が行われ、電気負荷（図示せず）やインバータ（図示せず）などに対して電力が出力される。酸素極５で生じる酸素極排ガスは、酸素極排ガス路１８を通じて外部に排出される。

尚、運転制御装置２７は、改質器１で燃料ガスを生成するとき、改質器１に原燃料を供給し、且つ、冷却水循環路１９に設けているポンプＰ１を動作させると共に冷却水循環路１９から分岐した改質用水供給路２０に設けている弁Ｖ２を開弁して改質器１に改質用水を供給する。改質器１には上述したように燃焼器２で発生される燃焼熱が与えられて、水蒸気改質反応が促進される。

＜動作制御部による調整動作＞
運転制御装置２７は、冷却水循環路１９に備えられた圧力調整弁Ｖ１あるいはポンプＰ１のうち少なくとも一方を制御して、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差ΔＰを調整する調整動作を行う動作制御部を有する。

具体的には動作制御部は、後述する動作決定部が調整動作を行う旨を決定すると、圧力調整弁Ｖ１とポンプＰ１とを制御して、冷却水循環路１９における冷却水の圧力を低下させ、もって冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力を低下させる。そうすると、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差ΔＰは上昇する。

ここで圧力差ΔＰの上昇によるフラッディング現象の解消について説明する。燃料電池ＦＣにて発電が行われる際、燃料極３ではプロトン（水素イオン）と酸素とが化合することにより水が生成される。燃料極３で生成された水のうち余剰分は、毛細管現象により導電性多孔質である冷却部６を通って冷却水流路へと送られる。すなわち、燃料電池ＦＣの運転中は、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力に比べ、冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力は低く保たれている。

ここで燃料電池ＦＣが長時間連続して行われると、冷却部６における毛細管現象の働きが小さくなり、余剰の水の吸い出しが滞って排水が適切に行われなくなる、いわゆるフラッディング現象が発生する。なお毛細管現象の働きは経年的にも劣化し、運転状況によっても変化するので、フラッディング現象の発生するタイミングは様々である。

動作制御部が冷却水循環路１９における冷却水の圧力を低下させると、圧力差ΔＰは上昇して、毛細管現象による水の移動を促進するので、フラッディング現象を解消することができる。また、多孔質である冷却部６の内部において、親水性不足や連続運転の影響により空隙が生じている場合にも、圧力差ΔＰの上昇により冷却部６の内部に水が浸透し、もって冷却部６による水の除去機能を回復・強化することができる。

なお、後述する動作決定部が調整動作を行う旨を決定した際、動作制御部は、圧力調整弁Ｖ１とポンプＰ１とを制御して、冷却水循環路１９における冷却水の圧力を上昇させ、もって冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力を上昇させてもよい。この場合、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差ΔＰは低下することになるが、もって燃料極３と冷却部６における保水状態を変化させ、保水性不足を解消できる場合がある。このように本実施形態においては、動作制御部が圧力調整弁Ｖ１とポンプＰ１とを制御して、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差ΔＰを（上昇または低下させて）調整する調整動作を行う。

また調整動作において、圧力調整弁Ｖ１とポンプＰ１のうち一方のみを制御して冷却水循環路１９における冷却水の圧力を上昇または低下させてもよい。

＜動作決定部＞
運転制御装置２７は、燃料電池ＦＣの出力電圧Ｖの時間に対する低下率である電圧低下率ｖに基づいて上述の調整動作を行うか否かを決定する動作決定部を有する。動作決定部は、電圧低下率ｖが予め設定された低下率閾値Ｓｖを上回った場合に調整動作が必要であると決定する。

詳しくは動作決定部は、所定の時間間隔で燃料電池ＦＣの出力電圧Ｖを取得・記憶し、出力電圧Ｖの変化量を時間で除算して電圧低下率ｖを計算し記憶する。そして電圧低下率ｖが計算される都度、予め設定・記憶された低下率閾値Ｓｖと比較し、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回ると、上述の調整動作が必要であると決定する。

＜動作制御部による調整動作の中止＞
なお動作制御部は、前回の調整動作からの経過時間τ１が予め設定された調整動作禁止時間ＳＴ２を超えていない場合には、動作決定部による決定にかかわらず調整動作を行わない。

詳しくは動作制御部は、前記の調整動作が終了すると、その時点から時間の計測を開始し、経過時間τ１として都度記憶する。そして、動作決定部が調整動作が必要であると決定した際、記憶された経過時間τ１と調整動作禁止時間ＳＴ２とを比較する。経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２よりも大きい場合、動作制御部は上述の調整動作を実行する。経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２よりも小さいか同じ場合、動作制御部は上述の調整動作を実行しない。

また動作制御部は、燃料電池ＦＣへの出力の指示値である出力指示値Ｒを参照し、予め設定された出力指示値確認期間ＳＴ１だけ以前の時点から現在までの期間における出力指示値Ｒの変化幅ΔＲが、予め設定された出力指示変動閾値ＳＲよりも大きい場合には、動作決定部による決定にかかわらず調整動作を行わない。

詳しくは動作制御部は、燃料電池ＦＣへの出力の指示値である出力指示値Ｒを、所定の時間間隔で記憶する。そして動作決定部が調整動作が必要であると決定した際、その時点から出力指示値確認期間ＳＴ１だけ以前の時点までの出力指示値Ｒを読み出して、その期間における出力指示値Ｒの最大値と最小値との差を計算し、その値を出力指示値Ｒの変化幅ΔＲとして記憶する。次いで変化幅ΔＲと出力指示変動閾値ＳＲとを比較して、変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも小さいか同じ場合は、調整動作を実行する。変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも大きい場合は、調整動作を実行しない。

＜調整動作制御＞
図２のフローチャートを用いて、第１実施形態に係る燃料電池システムで行われる調整動作制御について説明する。

工程＃１において運転制御装置２７（動作決定部）は、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回っているか否かを判定する。その結果、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回っている場合（Ｙｅｓ）、調整動作が必要であると決定し（工程＃２）、工程＃４へ進む。電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを下回るか同じの場合（Ｎｏ）、調整動作が不要であると決定し（工程＃３）、工程＃７へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。

工程＃４において運転制御装置２７（動作制御部）は、前回の調整動作からの経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２を超えたか否かを判定する。その結果、経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２を超えていない場合（Ｎｏ）、工程＃７へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２を超えている場合（Ｙｅｓ）、工程＃５へ進む。

工程＃５において運転制御装置２７（動作制御部）は、出力指示値Ｒの変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも大きいか否かを判定する。その結果、変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも大きい場合（Ｙｅｓ）、工程＃７へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも小さいか同じ場合（Ｎｏ）、工程＃６ヘ進み、運転制御装置２７（動作制御部）が調整動作を実行し、調整動作制御を終了する。

次に図４のグラフを用いて第１実施形態に係る調整動作制御の例を説明する。時刻Ｔ₀において調整動作が行われると、出力電圧Ｖは一旦上昇した後、減少する。その際の電圧低下率ｖは比較的大きいが、時刻Ｔ₀から調整動作禁止時間ＳＴ２が経過するまでの間は、上述した工程＃４により動作制御部にて調整動作は実行されない。

その後出力電圧Ｖは安定した状態となるが、時刻Ｔ₂の前から減少し始める。そして時刻Ｔ₁にて電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回り、動作決定部が調整動作が必要である旨決定する（工程＃１→＃２）。

この時刻Ｔ1では、前回の調整動作（時刻Ｔ0）からの経過時間τ１が、調整動作禁止時間ＳＴ２を超えている（工程＃４→＃５）。

そうすると動作制御部は、時刻Ｔ₁から出力指示値確認期間ＳＴ１だけ以前の時点までの出力指示値Ｒを読み出して変化幅ΔＲを計算する。図４の例では出力指示値Ｒは一定のため、ΔＲ＝０となる。そうすると変化幅ΔＲは出力指示変動閾値ＳＲよりも小さくなり、時刻Ｔ₁にて調整動作が実行される（工程＃５→＃６）。

時刻Ｔ₁において調整動作が行われると、出力電圧Ｖは一旦上昇した後、減少する。その際の電圧低下率ｖは比較的大きいが、時刻Ｔ₁から調整動作禁止時間ＳＴ２が経過するまでの間は、上述した工程＃４により動作制御部にて調整動作は実行されない。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、動作決定部は、電圧低下率ｖが予め設定された低下率閾値Ｓｖを上回る状態が、予め設定された低下継続時間閾値ＳＴ３を超えて継続した場合に調整動作が必要であると決定する。第２実施形態に係る燃料電池システムの構成は第１実施形態と同じである。以下、第２実施形態に係る燃料電池システムの動作について、図３と図４を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を用い、説明を省略する。

詳しくは動作決定部は、所定の時間間隔で燃料電池ＦＣの出力電圧Ｖを取得・記憶し、出力電圧Ｖの変化量を時間で除算して電圧低下率ｖを計算し記憶する。そして電圧低下率ｖが計算される都度、予め設定・記憶された低下率閾値Ｓｖと比較する。電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回ると、その時点から時間の計測を開始し、経過時間τ２として都度記憶する。そして経過時間τ２が予め設定・記憶された低下継続時間閾値ＳＴ３を超えると、上述の調整動作が必要であると決定する。
＜調整動作制御＞
図３のフローチャートを用いて、第２実施形態に係る燃料電池システムで行われる調整動作制御について説明する。

工程＃１１において運転制御装置２７（動作決定部）は、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回っているか否かを判定する。その結果、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回っている場合（Ｙｅｓ）、工程＃１２へ進む。電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを下回るか同じの場合（Ｎｏ）、調整動作が不要であると決定し（工程＃１４）、工程＃１８へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。

工程＃１２において運転制御装置２７（動作決定部）は、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回っている状態が、低下継続時間閾値ＳＴ３を超えて継続しているか否かを判定する。その結果、低下継続時間閾値ＳＴ３を超えて継続している場合（Ｙｅｓ）、調整動作が必要であると決定し（工程＃１３）、工程＃１５へ進む。低下継続時間閾値ＳＴ３を超えて継続していない場合（Ｎｏ）、調整動作が不要であると決定し（工程＃１４）、工程＃１８へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。

工程＃１５において運転制御装置２７（動作制御部）は、前回の調整動作からの経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２を超えたか否かを判定する。その結果、経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２を超えていない場合（Ｎｏ）、工程＃１８へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。経過時間τ１が調整動作禁止時間ＳＴ２を超えている場合（Ｙｅｓ）、工程＃１６へ進む。

工程＃１６において運転制御装置２７（動作制御部）は、出力指示値Ｒの変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも大きいか否かを判定する。その結果、変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも大きい場合（Ｙｅｓ）、工程＃１８へ進み、調整動作を行わず、調整動作制御を終了する。変化幅ΔＲが出力指示変動閾値ＳＲよりも小さいか同じ場合（Ｎｏ）、工程＃１７ヘ進み、運転制御装置２７（動作制御部）が調整動作を実行し、調整動作制御を終了する。

次に図４のグラフを用いて第２実施形態に係る調整動作制御の例を説明する。時刻Ｔ₀において調整動作が行われると、出力電圧Ｖは一旦上昇した後、減少する。この間の電圧低下率ｖは比較的大きいが、時刻Ｔ₀から調整動作禁止時間ＳＴ２が経過するまでの間は、上述した工程＃１５により動作制御部にて調整動作は実行されない。

その後出力電圧Ｖは安定した状態となるが、時刻Ｔ₂の前から減少し始め、時刻Ｔ₂にて電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回る（工程＃１１→＃１２）。なお第２実施形態における低下率閾値Ｓｖは、第１実施形態における値よりも小さく設定されているものとする。

そして低下継続時間閾値ＳＴ３の間、電圧低下率ｖが低下率閾値Ｓｖを上回る状態を継続し、時刻Ｔ₁にて経過時間τ２が低下継続時間閾値ＳＴ３を超えると、動作決定部が調整動作が必要である旨決定する（工程＃１２→＃１３）。

この時刻Ｔ₁では、前回の調整動作（時刻Ｔ0）からの経過時間τ１が、調整動作禁止時間ＳＴ２を超えている（工程＃１５→＃１６）。

そうすると動作制御部は、時刻Ｔ₁から出力指示値確認期間ＳＴ１だけ以前の時点までの出力指示値Ｒを読み出して変化幅ΔＲを計算する。図４の例では出力指示値Ｒは一定のため、ΔＲ＝０となる。そうすると変化幅ΔＲは出力指示変動閾値ＳＲよりも小さくなり、時刻Ｔ₁にて調整動作が実行される（工程＃１６→＃１７）。

時刻Ｔ₁において調整動作が行われると、出力電圧Ｖは一旦上昇した後、減少する。その際の電圧低下率ｖは比較的大きいが、時刻Ｔ₁から調整動作禁止時間ＳＴ２が経過するまでの間は、上述した工程＃１５により動作制御部にて調整動作は実行されない。

＜別実施形態＞
上述の第１実施形態では、動作制御部による調整動作の中止について工程＃４と工程＃５の両方を行ったが、いずれか一方を行うように運転制御装置２７（動作制御部）を構成してもよい。同様に第２実施形態では、動作制御部による調整動作の中止について工程＃１５と工程＃１６の両方を行ったが、いずれか一方を行うように運転制御装置２７（動作制御部）を構成してもよい。

上述の第１および第２実施形態では、調整動作において、冷却水の圧力を調整することにより、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差ΔＰを調整した。これに替えて、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力を調整することにより圧力差ΔＰを調整するように構成してもよい。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。特に上述した調整動作は一例であって、燃料ガス供給路１４における燃料ガスの圧力と冷却部６の冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差ΔＰを調整するものであれば他の形態を取ることが可能である。

３ ：燃料極
４ ：電解質膜
５ ：酸素極
６ ：冷却部
１４ ：燃料ガス供給路
１９ ：冷却水循環路
２７ ：運転制御装置（動作制御部、動作決定部）
Ｃ ：セル
ＦＣ ：燃料電池
Ｐ１ ：ポンプ
Ｖ１ ：圧力調整弁

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟んで構成されるセルを、冷却水を流通させる冷却水流路を有し導電性多孔質である冷却部を介して、複数積層してなる燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記冷却水流路から流出した冷却水を循環させて前記冷却水流路に供給する冷却水循環路と、
   前記冷却水循環路に備えられた圧力調整弁あるいはポンプのうち少なくとも一方を制御して、前記燃料ガス供給路における燃料ガスの圧力と前記冷却水流路における冷却水の圧力との圧力差を調整する調整動作を行う動作制御部と、
   前記燃料電池の出力電圧の時間に対する低下率である電圧低下率に基づいて前記調整動作を行うか否かを決定する動作決定部とを有する固体高分子形燃料電池システム。
2. 前記動作決定部は、前記電圧低下率が予め設定された低下率閾値を上回った場合に前記調整動作が必要であると決定する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システム。
3. 前記動作決定部は、前記電圧低下率が予め設定された低下率閾値を上回る状態が、予め設定された低下継続時間閾値を超えて継続した場合に前記調整動作が必要であると決定する請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システム。
4. 前記動作制御部は、前回の調整動作からの経過時間が予め設定された調整動作禁止時間を超えていない場合には、前記動作決定部による決定にかかわらず前記調整動作を行わない請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池システム。
5. 前記動作制御部は、前記燃料電池への出力の指示値である出力指示値を参照し、予め設定された出力指示値確認期間だけ以前の時点から現在までの期間における前記出力指示値の変化幅が、予め設定された出力指示変動閾値よりも大きい場合には、前記動作決定部による決定にかかわらず前記調整動作を行わない請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体高分子形燃料電池システム。

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