JP2017157316A - 燃料電池の制御方法、及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】液絡を判定して液絡の状態を解消する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池の制御方法において、燃料電池スタック１２の動作時に、燃料電池スタック１２の状態量を検出し、その検出値を取得する。制御部２２は、取得した検出値に基づき、固体高分子電解質膜３２と第２セパレータ３０との間が結露水１１６によってつながる液絡の状態か否かを判定し、液絡と判定した場合に、燃料電池スタック１２が乾燥するように動作させる。【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池の固体高分子電解質膜とセパレータとの間に生じる液絡を判定及び処理する燃料電池の制御方法、及び燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料電池の反応ガス流路が水過剰状態になることで、反応ガスの流動等を阻害する現象（フラッディング）が生じ、発電安定性が損なわれる。そのため、例えば、特許文献１に開示の燃料電池システムでは、燃料電池のインピーダンスを測定してフラッディングを検出し、この検出に基づきカソードガスの背圧を調整する構成となっている。
特開２０１４−３２７９７号公報
ところで、フラッディングが発生している段階では、既に、固体高分子電解質膜とセパレータの間に設けられる電極（例えば、触媒層やガス拡散層）にも水（結露水、生成水等）が溜まっている。そして、電極に水が多量に溜まると、水を介して固体高分子電解質膜とセパレータがつながる液絡の状態となり、この状態では、セパレータからイオンが溶出して、固体高分子電解質膜にダメージを与える可能性がある。すなわち、燃料電池システムでは、フラッディングよりも早い段階で液絡を判定して、この液絡を抑制することが求められている。
本発明は、上記の実情を鑑みてなされたものであって、液絡を判定して液絡の状態を解消することで、燃料電池内でのイオンの溶出や膜の劣化を抑制することができる燃料電池の制御方法、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池の制御方法は、固体高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の間で挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層された燃料電池の動作時に、前記燃料電池の状態量を検出し、その検出値を取得する検出値取得工程と、取得した前記検出値に基づき、前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの間が液体によってつながる液絡の状態か否かを判定する液絡判定工程と、前記液絡と判定した場合に、前記燃料電池が乾燥するように動作させる液絡解消制御工程と、を有することを特徴とする。
上記によれば、燃料電池の制御方法では、検出値に基づき液絡の状態か否かを判定し、液絡と判定した場合に燃料電池が乾燥するように動作させることで、燃料電池に生じる液絡が良好に解消される。すなわち、従来のシステムでは、燃料電池内の流路に水滴として現れない液絡までは判定していなかったが、本発明では、液絡と判定することで、例えば、燃料電池の停止中に液絡の状態のままとなることを抑止することができる。これにより、燃料電池は、セパレータからの溶出イオンの固体高分子電解質膜への取り込みや固体高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池の耐久性を向上することができる。
この場合、前記液絡判定工程では、前記検出値である前記燃料電池の温度が温度閾値に達する前に発電停止される未暖機発電が、所定の回数又は所定時間実施された場合に前記液絡と判定することが好ましい。
このように、液絡判定工程で、未暖機発電が所定の回数又は所定時間実施された場合に液絡と判定することにより、未暖機発電時の液絡の発生を簡便に判定することができる。
また、前記燃料電池は、その動作時に生成する水の量が該燃料電池から排出する排出量よりも多い高負荷連続発電を行い、前記液絡判定工程では、前記高負荷連続発電が所定時間以上継続した場合又は前記検出値が所定の液絡判定閾値以下となった場合に前記液絡と判定するとよい。
このように、液絡判定工程で、高負荷連続発電が所定時間以上継続した場合又は検出値が所定の液絡判定閾値以下となった場合に液絡と判定することで、高負荷連続発電時の液絡の発生を簡便に判定することができる。
さらに、前記燃料電池は、その動作時に生成する水の量が該燃料電池から排出する排出量よりも多い高負荷連続発電を行い、前記液絡判定工程では、前記高負荷連続発電から前記燃料電池が電力を供給する負荷が所定の変化量低下する発電となった場合に前記液絡と判定するとよい。
このように、液絡判定工程で、高負荷連続発電から負荷が所定の変化量低下する発電となった場合に液絡と判定することで、高負荷連続発電直後の液絡の発生を簡便に判定することができる。
或いは、前記燃料電池は、その動作時に生成する水の量が該燃料電池から排出する排出量よりも多い高負荷連続発電を行い、前記液絡判定工程では、前記高負荷連続発電になる前に、前記検出値である前記燃料電池のインピーダンスが高い程、前記液絡を判定する時間を長くする構成であってもよい。
このように、液絡判定工程で、高負荷連続発電になる前のインピーダンスが高い程、液絡を判定するまでの時間を長くすることで、燃料電池が高負荷連続発電の前に乾燥している場合に液絡の判定をし難くするので、液絡の発生をより確実に判定することができる。
ここで、前記燃料電池の発電時に、前記カソード電極には、加湿器を介して加湿された空気が供給される構成であり、前記液絡解消制御工程では、前記加湿器をバイパスする開閉弁を開放することで、前記加湿器を介さない空気を前記燃料電池に供給するとよい。
このように、液絡解消制御工程で、開閉弁を開放して加湿していない空気を燃料電池に供給することにより、固体高分子電解質膜とセパレータの間の乾燥を簡単に行うことができる。
そして、前記燃料電池の停止時に、前記液絡判定工程により前記液絡が判定されていた場合に、前記液絡解消制御工程では、前記燃料電池が乾燥するように前記燃料電池の発電を継続することが好ましい。
このように、液絡解消制御工程で、燃料電池の停止時に燃料電池が乾燥するように燃料電池の発電を継続することで、発電停止後に液絡状態となることを防止することができる。よって、停止後に待機期間が長くても、イオンの溶出による燃料電池の劣化を確実に防ぐことが可能となる。
上記構成に加えて、前記燃料電池の停止前に、前記液絡解消制御工程を実施しない構成としてもよい。
このように、燃料電池の停止前に液絡解消制御工程を実施しなくても、発電中に乾燥制御が不要に入ることを抑制することができる一方で、停止時には液絡の状態を解消して燃料電池の劣化を防止することが可能となる。
また、前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の間で挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層された燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の動作時に、前記燃料電池の状態量を検出し、その検出値を取得する検出値取得部と、取得した前記検出値に基づき、前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの間が液体によってつながる液絡の状態であるか否かを判定する液絡判定部と、前記液絡と判定した場合に、前記燃料電池が乾燥するように動作させる液絡解消制御部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池の制御方法、及び燃料電池システムは、液絡を判定して液絡の状態を解消することで、燃料電池内でのイオンの溶出や膜の劣化を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 図２Ａは、燃料電池スタックの発電時の元素の反応を示す説明図であり、図２Ｂは、燃料電池スタックの液絡の状態を示す説明図である。 燃料電池スタックの高負荷連続発電時のインピーダンスと結露水量の変化を示すグラフである。 燃料電池スタックの高負荷連続発電時の電流と高負荷カウンタの変化を示すグラフである。 燃料電池スタックの未暖機発電における温度と結露水量の変化を示すグラフである。 液絡判定制御における燃料電池システムの制御部の内部構成を示す機能ブロック図である。 燃料電池システムによる液絡判定制御の手順を示すフローチャートである。
以下、本発明に係る燃料電池システムについて、燃料電池の制御方法との関係で好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。なお、燃料電池システム１０は、車載用に限定されず、定置用等の種々の用途に用いてもよい。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４、酸化剤ガスである空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６、及び冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８が接続されている。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。
燃料電池スタック１２は、水平方向又は鉛直方向に積層される複数の発電セル２４を有する。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６と、この電解質膜・電極構造体２６を挟持する第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０とを含む。第１及び第２セパレータ２８、３０は、金属セパレータ、カーボンセパレータにより構成される。すなわち、燃料電池スタック１２は、第１セパレータ２８、電解質膜・電極構造体２６、第２セパレータ３０を繰り返し積層した構造を筐体内に備えている。なお、燃料電池スタック１２は、電解質膜・電極構造体２６同士の間に２つのセパレータ（第１及び第２セパレータ２８、３０）を配置するだけでなく、１つのセパレータを配置した構造でもよい。
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）３２と、固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４、カソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ系電解質が使用される。
第１セパレータ２８は、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路３８を、電解質膜・電極構造体２６との間に設ける。第２セパレータ３０は、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を電解質膜・電極構造体２６との間に設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。
燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ、冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。
空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。
冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。
燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。
水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４、エゼクタ５６が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ５４、前記エゼクタ５６を跨いでバイパス供給路５８が接続される。バイパス供給路５８には、ＢＰインジェクタ６０が設けられる。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２の起動時や高負荷連続発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ５４は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。
燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。
水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。
酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。
空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置して供給側開閉弁８２ａ、加湿器８４を配設するとともに、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０には、加湿器８４を跨いでバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、開閉弁８８が設けられる。
燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分、熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁８２ｂ、背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端、排水流路７４の他端が接続され、希釈部を構成する。
空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側、背圧弁９２の下流側とに位置してバイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側、排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。
［液絡の発生について］
このように構成される燃料電池システム１０は、動作時に、燃料電池スタック１２の内部に、既述した液絡の状態を形成する場合がある。以下、この燃料電池スタック１２に生じる液絡について、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。
電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４及びカソード電極３６は、例えば、固体高分子電解質膜３２から外側に向かって、触媒層１１０及びガス拡散層（ＧＤＬ）１１２を積層して構成される。触媒層１１０は、アノード電極３４において、供給された水素ガスＨ2を、プロトンＨ+（水素原子のイオン）と電子ｅ-に分解する一方、カソード電極３６において、プロトンＨ+と電子ｅ-と酸素Ｏ2から水Ｈ2Ｏ（生成水、水蒸気）を生成する。ガス拡散層１１２は、気体（水素ガス、空気、水蒸気）を拡散させて、触媒層１１０側又はセパレータ側に流動させる。なお、アノード電極３４及びカソード電極３６の積層構造は、上記に限定されるものではなく、例えば、触媒層１１０とガス拡散層１１２の間に図示しない撥水層を備えてもよい。
また、電解質膜・電極構造体２６の固体高分子電解質膜３２は、アノード電極３４側からカソード電極３６側にプロトンＨ+を移動させる一方で、電子ｅ-及び気体の移動をブロックする。そして、アノード電極３４側で分解された電子ｅ-は、固体高分子電解質膜３２にブロックされることで、第１セパレータ２８に送られる。これにより燃料電池スタック１２から電力が取り出され、この電力が燃料電池車両のモータ等の負荷１１４（図１参照、バッテリ２０を含む）に供給される。
ここで、燃料電池スタック１２は、発電中において、カソード電極３６に生じた水Ｈ2Ｏを水蒸気として、空気とともに空気流路４０を通じて燃料電池スタック１２の外部に排出している。しかしながら、燃料電池スタック１２の状態（運転条件や温度等）によっては、水Ｈ2Ｏが多量に生成されて結露を起こし、液体（結露水１１６）として溜まることになる。特に、空気流路４０に結露水１１６が過剰に存在することで、既述したフラッディングが生じる。
また、水Ｈ2Ｏは、カソード電極３６のガス拡散層１１２や触媒層１１０にも多量に存在することで、このカソード電極３６内においても結露水１１６を形成する。そして、結露水１１６がカソード電極３６内で溜まっていくと、固体高分子電解質膜３２と第２セパレータ３０とが結露水１１６でつながる液絡の状態を生じさせる。液絡の状態では、第２セパレータ３０から結露水１１６を介して金属イオンが溶出する（イオンコンタミが生じる）おそれがある。この液絡の状態は、フラッディングよりも早い段階で生じることが推定される。
［液絡判定のための燃料電池システムの構成］
以上のことから、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の状態量を検出して、その検出値に基づき液絡の発生を判定し、液絡を解消する制御を行うように構成している。具体的に、燃料電池システム１０は、図１に示すように、状態量を検出するための構成として、燃料電池スタック１２のインピーダンスを測定する測定装置１１８を備える。測定装置１１８は、例えば図示しない交流発生器、交流電流計及び交流電圧計を内部に備え、燃料電池スタック１２内の電流及び電圧を検出して、交流４端子法によりインピーダンスを算出する。
また、燃料電池システム１０は、該燃料電池スタック１２の温度を検出する温度センサ１２０と、燃料電池スタック１２内の湿度を検出する湿度センサ１２２とを備える。さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と負荷１１４の間の配線に電流計１２４を設け、燃料電池スタック１２が出力する電流量を計測する構成となっている。測定装置１１８、温度センサ１２０、湿度センサ１２２及び電流計１２４が検出した各検出値は、制御部２２に送信される。
燃料電池システム１０の制御部２２は、測定装置１１８、電流計１２４、温度センサ１２０及び湿度センサ１２２が検出した各検出値に基づき、液絡の判定及び液絡の解消を図る処理を行う。この際、制御部２２は、次にあげる判定概念（Ａ）〜（Ｃ）に基づき、液絡の発生状態を判定する。なお、以下の判定概念（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の並び順は、判定時の優先度（精度）が高い順番であり、例えば、判定概念（Ｃ）で液絡（又は結露水）の発生が判定されないとしても、判定概念（Ａ）で液絡の発生を判定すれば判定概念（Ａ）の判定を優先する。
（Ａ）燃料電池スタック１２内の含水状態（結露水量）を把握できる場合には、把握した含水状態に基づき液絡と判定する。
（Ｂ）燃料電池スタック１２内の含水状態が限定的にしか把握できない場合（例えば、負荷１１４が高負荷になり電流計１２４での測定範囲を超える等の場合）は、所定の負荷以上且つ所定時間で結露水が発生すると推定する。ただし、最終含水状態である液絡の判定は、結露水の発生量（例えば、負荷）に応じて時間を変えることが好ましい。
（Ｃ）燃料電池スタック１２内の含水状態を把握できない場合は、燃料電池スタック１２の温度により含水状態を推定し、所定の結露判定温度閾値以下は結露水が生じていると判定し、所定の結露解消温度閾値以上は結露水が解消していると推定する。
また、制御部２２は、実際に検出値を用いて液絡を判定する場合、上記の判定概念（Ａ）〜（Ｃ）のいずれにおいても、結露水が発生する条件、結露水が解消（乾燥）する条件を設定する。例えば、結露水が発生する場合には、負荷に基づく結露レート（もしくは時間）を設定して、結露水を積算して所定の閾値以上で液絡と判定する。なお、積算値は、液絡を解消する液絡解消制御を実施しない場合、１回の運転が終わっても次に運転するまで保持する。
以下、制御部２２による実際の液絡の判定について、燃料電池システム１０の幾つかの動作状態毎に説明していく。
［通常の発電状態の液絡の判定］
燃料電池システム１０は、通常の発電状態において、測定装置１１８が検出するインピーダンスに基づき燃料電池スタック１２内の含水状態を把握することができる。通常の発電状態とは、例えば、暖機が終わって発電効率が高く、且つ負荷１１４への電流の供給量（電流計１２４による検出値）が所定値以下である低負荷連続発電を言う。低負荷連続発電と後記の高負荷連続発電とを区分けする所定値としては、例えば１００Ａがあげられる。
低負荷連続発電において、測定装置１１８が検出するインピーダンスは、燃料電池スタック１２の乾湿状態をリアルタイムに反映する。そのため、制御部２２は、上記の判定概念（Ａ）に基づき液絡の判定を行うことが可能である。詳細には、制御部２２は、インピーダンスが所定の結露判定閾値（図示せず）以下となれば、結露水の発生を判定することができ、さらにインピーダンスが結露判定閾値よりも低い所定の液絡判定閾値以下となれば、液絡の発生を判定することができる。
［高負荷連続発電時の液絡の判定］
一方、燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両が加速した際に、大きな電流を負荷１１４に供給する高負荷連続発電を行う。すなわち、高負荷連続発電とは、燃料電池スタック１２が所定値（例えば、１００Ａ）以上の電流を負荷１１４に出力する状況をいう。この際、燃料電池スタック１２内では、水Ｈ2Ｏの生成量が空気流路４０の空気による水Ｈ2Ｏの持ち去り（排出量）に対し勝るようになる。また高負荷連続発電において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の乾湿を制御するインピーダンス制御を停止し、湿潤状態で運転している。そのため、燃料電池スタック１２内の湿度が上昇して、水Ｈ2Ｏが溜まり結露水１１６が生じる。
この高負荷連続発電では、制御部２２による含水状態の把握が限定的になる。そのため、燃料電池システム１０の制御部２２は、高負荷連続発電において、上記判定概念（Ｂ）に基づく下記にあげる３つの方法によって液絡の判定を行う。以下、これら３つの判定方法についてそれぞれ具体的に説明していく。
１）燃料電池スタック１２のインピーダンスに基づく判定
２）燃料電池スタック１２が出力する電流に基づく判定
３）燃料電池スタック１２内の湿度に基づく判定
１）燃料電池スタック１２のインピーダンスに基づく判定について
制御部２２は、測定装置１１８が測定するインピーダンスに基づき、高負荷連続発電時の燃料電池スタック１２のインピーダンスを監視することで、液絡の判定を行う。この制御部２２は、図３に示すように、燃料電池スタック１２の温度特性（暖機後の駆動温度）に応じたインピーダンスの結露判定閾値Ｔｉを有する。そして制御部２２は、測定装置１１８から送信されるインピーダンスを監視し、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となった場合に結露水１１６の発生を判定する。
つまり、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉを下回っている場合とは、燃料電池スタック１２の内部において、結露水１１６が生じ続けている状況と推定される。従って、制御部２２は、結露判定閾値Ｔｉを下回っている期間に、結露水１１６の生成量を積算することで、結露水量を監視することが可能となる。例えば、図３中の時点ｔ10において、制御部２２は、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となったことを判定する。
また、制御部２２は、燃料電池スタック１２の温度に応じたインピーダンスの液絡判定閾値Ｌｉを有する。この液絡判定閾値Ｌｉは、結露判定閾値Ｔｉよりも低いインピーダンス値であり、インピーダンスがこの液絡判定閾値Ｌｉ以下となった場合には、燃料電池スタック１２内において結露水１１６が多量に溜まった状態と見なすことができる。よって、制御部２２は、測定装置１１８から送信されるインピーダンスが液絡判定閾値Ｌｉ以下となった場合に、液絡が発生していると判定する。
例えば、図３中の実線のグラフ線を参照すると、時点ｔ11において、制御部２２は、インピーダンスが液絡判定閾値Ｌｉ以下となったことを判定し、液絡判定フラグを立ち上げる。そして、制御部２２は、この液絡判定フラグが立ち上がったことに基づき、例えば時点ｔ12で液絡解消制御を実施する。発電時の液絡解消制御については後述する。
また、制御部２２は、液絡解消制御又は低負荷発電の実施中も、インピーダンスを監視し続ける。インピーダンスが上昇し、時点ｔ15においてインピーダンスが結露判定閾値Ｔｉを上回った場合には、結露水量の増加は止まる。しかしながら、溜まった結露水量が減ることにはならないので、液絡判定が維持される。
さらにインピーダンスが上昇し、時点ｔ16においてインピーダンスが結露解消閾値Ｃｉを上回ると、結露水量が減少し始める。つまり、インピーダンスが結露解消閾値Ｃｉを上回る状態では、燃料電池スタック１２内で乾燥が強くなったことになる。そして、時点ｔ17になると、積算していた結露水量が液絡判定閾値Ｌｉよりも低くなることで、液絡が解消されることになる。制御部２２は、液絡の解消を判定すると、液絡判定フラグを０にすることで液絡解消制御を終了する。
また、インピーダンスに基づく液絡の判定では、制御部２２のタイマ１２６により、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となった時点から時間をカウントし、所定時間経過した際に液絡と判定してもよい。例えば図３中の２点鎖線のグラフ線を参照すると、時点ｔ10でインピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となった後、インピーダンスの低下が抑えられたとしても、時点ｔ11までインピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下であれば、結露水量が溜まり液絡判定閾値Ｌｉを超えたとして液絡判定フラグを立ち上げる。そのため、時点ｔ12から液絡解消制御を実施する。
液絡解消制御では、時点ｔ13においてインピーダンスが結露判定閾値Ｔｉを上回り、時点ｔ14においてインピーダンスが結露解消閾値Ｃｉを上回る。よって時点ｔ14以降は、結露水量が減ることになり、結露水量が液絡判定閾値Ｌｉよりも低くなると、液絡が解消されたことになる。
このように、制御部２２は、インピーダンスを利用して、インピーダンスが液絡判定閾値Ｌｉ以下になる場合と、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となりその時間が所定時間継続する場合とを監視することで、液絡を良好に判定することができる。
なお、制御部２２が、結露水量を積算する演算では、所定の比例定数（結露レート）に応じて線形的に増加させてもよく、インピーダンスに応じた結露水量の増加の近似式を実験等により予め求めておき、その近似式を利用してもよい。
また、制御部２２は、燃料電池車両の加速前、つまり高負荷連続発電の実施前におけるインピーダンスに応じて、加速時における液絡発生（又は結露発生）までの時間を予測することができる。つまり、高負荷連続発電の燃料電池スタック１２が乾燥状態（高インピーダンス状態）となっていれば、液絡が発生し難くなる。そのため、制御部２２は、加速前の燃料電池スタック１２のインピーダンスを参照して、インピーダンスが高い程、結露が発生し難いと判断して液絡に達するまでの時間を長くする。また、燃料電池スタック１２の結露水１１６の状態を、高負荷連続発電時のインピーダンスと、加速前のインピーダンスにより予測した時間とで２重に判定することにより判定精度を高めることができ、余計な液絡の判定及び液絡解消制御を抑制することが可能となる。
２）燃料電池スタック１２が出力する電流に基づく判定について
燃料電池システム１０は、上述したように、高負荷連続発電において電流値が所定値以上となり、燃料電池スタック１２の乾湿制御を停止して湿潤状態で運転する。よって、燃料電池スタック１２内には結露水１１６が生じると推定される。
このため、燃料電池システム１０の制御部２２は、電流計１２４が検出している電流が所定値を超えることに基づき、結露水１１６が生じていると判定することができる。例えば、制御部２２は、図４に示すように、検出する電流に対する所定値（結露判定閾値Ｔｃ）を有しており、電流が結露判定閾値Ｔｃ以上になると、高負荷がかかっているとしてタイマ１２６（図６参照）によりカウントしている高負荷カウンタを増加させる。例えば、図４中の時点ｔ20において、電流が結露判定閾値Ｔｃ以上となった場合に、高負荷カウンタを積算していく。
また、制御部２２は、検出している電流が結露判定閾値Ｔｃを下回ると高負荷カウンタのカウントを一時停止して、そのカウンタ状態を一時的に維持する。そして、カウンタを維持している期間に電流が結露判定閾値Ｔｃを超えない場合には、高負荷カウンタをリセットする（０に戻す）。負荷１１４に供給する電流が低下すると、燃料電池システム１０はインピーダンス制御を実施して、燃料電池スタック１２内の乾燥を強めるように動作するからである。例えば、図４中の時点ｔ21で電流が結露判定閾値Ｔｃを下回ると、高負荷カウンタの積算が停止して保持され、時点ｔ22において高負荷カウンタが０となっている。
一方、高負荷カウンタを維持している期間に電流が結露判定閾値Ｔｃを再び超えた場合には、高負荷カウンタをそのカウンタ状態から再び増加させる。例えば、図４中の時点ｔ23で電流が結露判定閾値Ｔｃを超えると高負荷カウンタをカウントし、時点ｔ24において電流が結露判定閾値Ｔｃを下回った後高負荷カウンタを維持している時点ｔ25において電流が結露判定閾値Ｔｃ以上に再びなるとする。この場合、維持していた高負荷カウンタの状態からカウントが再開され、高負荷カウンタが積算されていく。
また、制御部２２は、高負荷カウンタに対する液絡判定閾値Ｌｃを有しており、高負荷カウンタが液絡判定閾値Ｌｃ以上となった場合に、液絡を判定して液絡判定フラグを立ち上げる（図４中の時点ｔ26参照）。この液絡判定フラグが立ち上がると、制御部２２は、液絡解消制御を実施する。
なお、液絡判定フラグが立ち上がった後に、時点ｔ27において電流が結露判定閾値Ｔｃを下回ると、制御部２２は、高負荷カウンタを所定期間維持して、電流が結露判定閾値Ｔｃを再び超えない場合に高負荷カウンタをリセットする。この場合でも、液絡判定フラグは立ち上げたままとして、液絡解消制御を継続する。これにより、燃料電池システム１０は、高負荷連続発電が終了した後でも、液絡を確実に解消することができる。
３）燃料電池スタック１２内の湿度に基づく判定について
また、燃料電池システム１０の制御部２２は、燃料電池スタック１２（電解質膜・電極構造体２６）内の湿度を湿度センサ１２２により検出して、その検出結果を利用してもよい。すなわち、燃料電池スタック１２内の湿度を検出すれば、結露水１１６が生じる環境にあることも判断できるため、さらに液絡の判定に適用することができる。
制御部２２は、湿度に対する結露判定閾値（例えば９０％）を有し、湿度が９０％以上の場合を結露水１１６が発生する結露領域と設定する。また制御部２２は、湿度に対する結露解消領域（例えば５０％）を有し、湿度が５０％以下の場合を乾燥領域と設定する。そして、制御部２２は、湿度センサ１２２から送信される湿度が結露判定閾値以上である場合に結露水１１６の発生を判定する。
さらに、制御部２２は、湿度に対する液絡判定閾値（例えば１００％）を有することで、湿度が１００％以上になった際に液絡の発生を判定することができる。或いは、制御部２２は、検出する湿度が結露判定閾値以上となった時間をタイマ１２６によりカウントして、所定時間経過した際に液絡と判定してもよい。
このように、湿度に基づき液絡を判定した場合も、液絡判定フラグを立ち上げ液絡解消制御を実施することで、液絡の解消を図ることができる。さらに、制御部２２は、液絡解消制御中や燃料電池システム１０の運転中に、湿度が結露解消閾値以下となった場合に、結露水量の減算（又はリセット）を行うことで、結露水量の変化を良好に追跡することができる。
［高負荷連続発電後の液絡の判定］
燃料電池システム１０では、燃料電池車両の加速において、高負荷連続発電により高電流を出力した後、負荷１１４が大きく変動して負荷１１４に低電流を出力するようになると、燃料電池スタック１２に供給する水素ガスや空気が減る。これにより、高負荷連続発電の湿潤運転により生じた生成水の排出能力が落ちて、燃料電池スタック１２内に結露水１１６が生じると推定できる。
そのため、燃料電池システム１０の制御部２２は、高負荷連続発電後に、燃料電池車両の負荷１１４の変動（変動量や変動率）に基づき、液絡の判定を行うことができる。すなわち、燃料電池車両の加速時に負荷１１４が高負荷となった場合には、電流計１２４が検出する電流が高くなっており、この電流が急に低下すると、短期間に結露水１１６が発生することが予測できる。そのため、制御部２２は、検出する電流の変化（換言すれば、高負荷連続発電後の負荷１１４の変動）に応じて、結露が発生して液絡に至るまでの時間を設定する。
電流に基づく結露発生や液絡発生までの時間は、例えば、検出する電流に応じて結露レートを設定する。結露レートは、電流の変動と結露水量を関係付ける比例定数であり、これにより制御部２２は、負荷１１４の変動に応じた結露水量を算出することができる。そして、算出する結露水量から液絡に至る時間が分かることで、液絡と判定することができる。例えば、電流の変化量が所定の値よりも大きい場合には、直ちに液絡の発生を判定することができ、液絡の解消を早期に実施することが可能となる。なお、制御部２２は、インピーダンス等により燃料電池スタック１２内の液絡を２重に判定して判定精度を高めることもでき、高負荷連続発電後の液絡の発生を直ぐに識別することも可能となる。
［暖機過程の液絡の判定］
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の温度が低い状態で発電を行うと、飽和蒸気圧が低いため、水Ｈ2Ｏを水蒸気として排出する能力が低くなり、結露水１１６が生じ易い。この場合、結露水の生成量は把握することは困難であるが、所定温度以下では結露水がある程度生じると推定できる。例えば、運転開始時には燃料電池スタック１２の発電効率を上げるため、温度を上昇させる暖機過程を実施するが、この暖機過程において結露水１１６が発生すると言える。
そのため、燃料電池システム１０の制御部２２は、上述の判定概念（Ｃ）に基づき液絡の判定を行う構成となっている。制御部２２は、図５に示すように、所定の結露判定温度閾値Ｔｔ以下での暖機過程（つまり、未暖機発電）の実施を監視して結露の判定を行う。例えば、結露判定温度閾値Ｔｔとしては５０℃があげられる。制御部２２は、５０℃以下の暖機過程を実施している場合（換言すれば、燃料電池スタック１２の温度が５０℃以下であれば常に）結露が発生していると判定する。
ここで、燃料電池システム１０は、運転者の都合等により暖機過程中に停止（ソーク）する、つまり燃料電池スタック１２が充分に温度上昇して発電効率が高い状態となる前にシステムを停止することがある。この停止により、燃料電池スタック１２の温度が低下する。その一方で、燃料電池スタック１２から結露水１１６が排出されないため、生成された結露水１１６の量が維持される。よって、燃料電池システム１０を再び動作させると、前の結露水１１６が残った状態から結露水１１６が増えることになる。
このことから、制御部２２は、５０℃以下での暖機過程の実施回数又は実施時間（発電実績）から結露水量を積算し、この結露水量が所定の液絡判定閾値Ｌｔを超えた場合に、液絡と判定するように構成されている。この際、制御部２２は、燃料電池システム１０がソークになったとしても、暖機過程により生じる結露水量を保存することで、次の暖機過程において保存した結露水量から積算する。
例えば、燃料電池システム１０は、図５に示すように、燃料電池スタック１２の温度が５０℃を超えない暖機過程において、結露水１１６が比例的に増加していく。５０℃以下の暖機過程を３回繰り返した場合に（図５中の実線のグラフ線参照）、これまで増えた結露水１１６の積算量が液絡判定閾値Ｌｔを超えることになる。この結露水量が液絡判定閾値Ｌｔを超えたことに基づき、制御部２２は、燃料電池スタック１２で液絡が発生していると判定し、液絡判定フラグを立ち上げる。
これに対し、燃料電池スタック１２の温度が５０℃を超えるまでに、暖機過程を２回実施した場合は（図５中の二点鎖線のグラフ線参照）、暖機過程で結露水１１６が生成されたとしても、結露水１１６が液絡を生じさせる程に溜まらない。すなわち、結露水量が液絡判定閾値Ｌｔを超える前に、燃料電池スタック１２の温度が５０℃を超えることになるので、液絡が発生せずに暖機過程が終了したと判定することができる。
なお、制御部２２は、燃料電池スタック１２の温度が所定の結露解消温度閾値Ｃｔを超えた場合に、積算していた結露水量の減算又はリセットを行うことが好ましい。例えば、結露解消温度閾値Ｃｔとしては６０℃があげられる。これにより、暖機過程において液絡が生じたとしても、暖機過程以後の燃料電池スタック１２の駆動において液絡から乾燥したことを追跡して、不要な液絡解消制御を回避することができる。また、暖機過程によって液絡判定フラグが立ち上がり、且つ燃料電池スタック１２が６０℃に到達せずに、燃料電池システム１０が停止する場合には、停止時に液絡解消制御を行うことで液絡の解消が図られる。停止時の液絡解消制御については後述する。
なお、暖機過程において、検出されるインピーダンスや電流値に基づき液絡の判定（上述した判定概念（Ａ））を行ってもよい。また、暖機過程において高負荷連続発電となる場合には、上述した判定概念（Ｂ）を行うこともできる。
［発電中の液絡解消制御］
燃料電池システム１０の制御部２２は、上述した液絡判定に基づいて液絡判定フラグが立ち上がると、液絡解消発電モードに切り換えて液絡解消制御を実施する。なお、高負荷連続発電が継続している場合には、高負荷連続発電の実施後又は適切なタイミングで液絡解消制御を実施するとよい。
具体的な液絡解消制御としては、燃料電池スタック１２に増量した空気を供給するように制御する（乾燥制御）。これにより燃料電池スタック１２は、空気流路４０の水分を空気排出路９０から多量に排出することが可能となる。また、燃料電池システム１０は、図１に示すバイパス供給路８６の開閉弁８８を開放することにより、（系の圧損を下げて）空気を増量することもでき、この場合加湿器８４を介さない空気をバイパス供給路８６から供給するので、空気流路４０の乾燥を一層促進することができる。
なお、液絡解消制御は、上記の制御に限定されるものではなく、カソード電極３６の乾燥を促進し得る種々の制御を実施してよい。例えば、制御部２２は、加湿器８４による空気の加湿量を抑制することで、燃料電池スタック１２内の乾燥を行うこともできる。
また、燃料電池システム１０は、液絡を判定したとしても、燃料電池スタック１２による発電中は、液絡解消制御を実施しなくてもよい。この場合は、長時間の連続発電中における燃料電池スタック１２の動作により、液絡が自然に解消されることがある。また、発電中は、触媒層１１０から水Ｈ2Ｏが生成されてガス拡散層１１２側に流れるので、液絡の状態になっていたとしても、セパレータからの溶出イオンの固体高分子電解質膜３２への取り込みが抑制されることが予想される。そして、発電を停止した際に、液絡判定フラグが立ち上がっていれば、停止時の液絡解消制御の実施により液絡を解消することができ、停止後のセパレータからのイオン溶出を防ぐことが可能となる。
［停止時の液絡解消制御］
燃料電池システム１０の制御部２２は、停止時に液絡判定フラグが立ち上がっていることに基づき、液絡解消制御として停止時発電を実施する。すなわち、燃料電池スタック１２を停止時に駆動させることで、燃料電池システム１０の空気を循環させることができ、燃料電池スタック１２内の水Ｈ2Ｏを排出して乾燥を行うことが可能となる。なお、停止時発電でも発電中の液絡解消制御と同様に、開閉弁８８を開放して加湿器８４から空気をバイパスさせることにより、燃料電池スタック１２内の乾燥を促進することができる。
［制御部２２の構成］
燃料電池システム１０の制御部２２は、図示しない入出力インターフェース、プロセッサ及びメモリ等によって構成される周知のコンピュータが適用される。この制御部２２は、メモリに記憶されている図示しない液絡判定制御プログラムをプロセッサが実行処理することで、上記の液絡判定及び液絡解消制御を実施する機能部を構築する。詳細には、制御部２２は、図６に示すように、検出値取得部１３０、動作状態取得判定部１３２、結露判定部１３４、液絡判定部１３６、タイマ１２６及び液絡解消制御部１３８を備える。
検出値取得部１３０は、制御部２２に接続されている測定装置１１８、電流計１２４、温度センサ１２０及び湿度センサ１２２の各検出値（インピーダンス、電流、温度、湿度）を定期的に受信してメモリに記憶させる。
動作状態取得判定部１３２は、測定装置１１８、電流計１２４、温度センサ１２０、湿度センサ１２２の各検出値、又は燃料電池車両のＥＣＵ１４０等から出力される情報を取得し、取得した検出値や情報に基づき車両の動作状態を判定する。例えば、燃料電池車両のイグニションのＯＮに基づき車両の駆動開始を判定する一方で、イグニションのＯＦＦに基づき車両の駆動停止を判定する。また、動作状態取得判定部１３２は、インピーダンス、電流、温度に基づき、燃料電池車両の暖機過程、高負荷連続発電等の状態を判定することも可能である。
結露判定部１３４は、検出値取得部１３０が取得した各検出値に基づき、燃料電池スタック１２内での結露の発生を判定する。上述したように、結露判定部１３４は、各検出値に応じた結露判定閾値を有しており、検出値と結露判定閾値との比較により燃料電池スタック１２内での結露水１１６の発生を判定する。
液絡判定部１３６は、結露判定部１３４による結露の発生の判定結果に基づき駆動して、液絡の発生を判定する。上述したように、液絡判定部１３６は、時間（結露水量、高負荷カウンタ）に応じた液絡判定閾値、又は各検出値に応じた液絡判定閾値を有しており、検出値又は時間と液絡判定閾値との比較により、燃料電池スタック１２内での液絡の発生を判定する。液絡の発生を判定した場合には、液絡判定フラグを立ち上げる。また液絡判定部１３６は、液絡判定後の各検出値に基づき液絡の解消を判定して、液絡判定フラグを立ち下げる。
また、タイマ１２６は、所定のタイミングで時間のカウントを開始して時間計測を行う。
液絡解消制御部１３８は、液絡解消制御を実施する機能部であり、液絡判定部１３６による液絡判定フラグの立ち上げに基づき液絡解消制御を行う。液絡解消制御では、入出力インターフェースを介して指示信号を出力して、上述したように加湿器８４や開閉弁８８等の動作を制御し、燃料電池スタック１２内の乾燥を促す。なお、燃料電池車両の停止時に、液絡解消制御を行う場合は、燃料電池システム１０の動作（燃料電池スタック１２の発電）を継続させて液絡の解消を図る。
［燃料電池の制御方法の実施］
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、その作用効果について燃料電池の制御方法の実施フローに基づき説明する。
燃料電池システム１０は、その動作中において、燃料電池の制御方法を定常的に実施している。この制御方法において、図７に示すように、燃料電池システム１０は、検出値取得工程、動作状態取得判定工程、結露判定工程、液絡判定工程及び液絡解消制御工程を順次実施する。ここで、燃料電池システム１０の制御部２２は、結露判定工程や液絡判定工程を実施する際に、上述したように、検出値であるインピーダンス、電流、温度、湿度のうち少なくとも１つを用いることで、液絡と判定することができる。
従って、制御部２２は、検出値取得工程において、各検出値（インピーダンス、電流、温度、湿度）のうち少なくとも１つの検出値を定期的に取得して制御部２２のメモリに記憶する。
制御部２２は、動作状態取得判定工程において、燃料電池車両が現在どのような状態であるかを判定する。例えば、制御部２２は、ＥＣＵ１４０からの情報に基づきイグニションがＯＮされたことを検知して燃料電池システム１０の動作を開始し、燃料電池スタック１２の暖機過程を実施する。動作状態取得判定部１３２は、この暖機過程の実施を判定すると、温度センサ１２０が検出する燃料電池スタック１２の温度に基づき以降の工程を行う。
また、燃料電池車両が通常の発電を行う場合、又は加速する等により高負荷連続発電を行う場合、動作状態取得判定部１３２は、ＥＣＵ１４０からの情報（モータの駆動制御の情報等）、燃料電池システム１０への制御指示、電流の変化等の取得情報に基づき、低負荷連続発電又は高負荷連続発電の実施を判定する。さらに、動作状態取得判定工程では、取得情報に基づき燃料電池車両の加速前（高負荷連続発電の実施前）や加速後（高負荷連続発電の実施後）の状態を判定する。
高負荷連続発電の実施時には、測定装置１１８が検出するインピーダンス、電流計１２４が検出する電流、湿度センサ１２２が検出する湿度のうち少なくとも１つの検出値に基づき以降の工程を行う。なお、取得されるインピーダンス、電流、温度、湿度等の検出値だけで動作状態が分からなくても、制御部２２は、結露や液絡の判定を行うことは可能であるため、動作状態取得判定工程は実施しなくてもよい。
結露判定工程では、制御部２２の結露判定部１３４により燃料電池スタック１２が結露水１１６を生じているか否かを判定する。具体的には、動作状態取得判定工程が暖機過程を判定している場合、燃料電池スタック１２の温度が基本的に結露判定温度閾値Ｔｔ以下となっているため、結露判定部１３４は、結露水１１６の発生を常に判定する。一方、低負荷連続発電において、結露判定部１３４は、インピーダンスと結露判定閾値とを比較し、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となった場合に結露の発生を判定する。また、高負荷連続発電になると、結露判定部１３４は、インピーダンスと結露判定閾値Ｔｉとを比較し、インピーダンスが結露判定閾値Ｔｉ以下となった場合に結露の発生を判定する。また、結露判定部１３４は、電流と結露判定閾値Ｔｃとを比較し、電流が結露判定閾値Ｔｃ以上となった場合に結露の発生を判定する。或いは、結露判定部１３４は、湿度と結露判定閾値とを比較し、湿度が結露判定閾値以上となった場合に結露の発生を判定する。なお、結露判定部１３４は、インピーダンス、電流、湿度、温度のうち１つの検出値を用いて１種類の判定を行うだけでなく、複数の検出値を用いて複数種類の判定を行うことで、より判定精度を高めることができる。
そして、液絡判定工程では、制御部２２の液絡判定部１３６により燃料電池スタック１２が液絡を生じているか否かを判定し、液絡を判定した場合には液絡判定フラグを立ち上げる。暖機過程の場合、液絡判定部１３６は、燃料電池スタック１２が充分に温度上昇しなかった際の実施回数又は実施時間を保持して、例えば図５に示すように、暖機過程が３回を超えた場合に液絡と判定する。
また、低負荷連続発電や高負荷連続発電において検出値としてインピーダンスを用いる場合、図３に示すように、液絡判定部１３６は、インピーダンスと液絡判定閾値Ｌｉとを比較し、インピーダンスが液絡判定閾値Ｌｉ以下となった場合に液絡と判定する。或いは、インピーダンスを利用した判定では、結露判定後の時間をカウントしつつ結露水量の増加を算出することで、結露水量が液絡判定閾値Ｌｉ以上となったことに基づき液絡と判定する。
高負荷連続発電において検出値として電流を用いる場合、図４に示すように、液絡判定部１３６は、電流が結露判定閾値Ｔｃ以上となった時間を監視（高負荷カウンタをカウント）する。そして、液絡判定部１３６は、所定時間経過して高負荷カウンタが液絡判定閾値Ｌｃ以上となったことに基づき液絡と判定する。同様に、高負荷連続発電において検出値として湿度を用いる場合、液絡判定部１３６は、湿度が結露判定閾値以上となった時間をカウントし、所定時間の経過により結露水量が液絡判定閾値以上となったことに基づき液絡と判定する。
液絡解消制御工程では、液絡判定部１３６において液絡判定フラグが立ち上がったことに基づき、上述した液絡解消制御部１３８により液絡解消発電モードを実施する。すなわち、液絡解消発電モードにおいて、液絡解消制御部１３８は、開閉弁８８を開放して燃料電池スタック１２に湿度の低い空気を供給することで、燃料電池スタック１２（空気流路４０）内の乾燥を促進する。そして、制御部２２は、液絡判定後に、各検出値を用いて液絡が解消されたか否かを判定し、液絡が解消された場合には液絡判定フラグを０に戻して液絡解消発電モードを終了する。また、発電停止時に液絡判定フラグが立ち上がっている場合には、停止時発電を行い、燃料電池スタック１２内の液絡を解消してから、燃料電池システム１０の動作を終了する。
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０及び燃料電池の制御方法は、種々の検出値に基づき液絡の状態か否かを判定し、液絡と判定した場合に燃料電池が乾燥するように動作させる。すなわち、従来のシステムでは、燃料電池スタック１２内の流路に水滴として現れない液絡までは判定していなかったが、本発明では、液絡を判定することで、例えば、燃料電池スタック１２の動作停止中に液絡の状態のままとなることを抑止することができる。これにより、燃料電池システム１０は、セパレータからのイオンの溶出や固体高分子電解質膜３２の劣化を抑制することが可能となり、燃料電池スタック１２の耐久性を向上することができる。
この場合、液絡判定工程では、未暖機発電が所定の回数又は所定時間実施された場合に液絡と判定することにより、未暖機発電時の液絡の発生を簡便に判定することができる。また、液絡判定工程では、高負荷連続発電が所定時間以上継続した場合又は検出値が所定の液絡判定閾値以下となった場合に液絡と判定することで、高負荷連続発電時の液絡の発生を簡便に判定することができる。
さらに、液絡判定工程では、高負荷連続発電から負荷１１４が所定の変化量低下する発電となった場合に液絡と判定する。その結果、高負荷連続発電直後の液絡の発生を簡便に判定することができる。或いは、液絡判定工程では、高負荷連続発電になる前のインピーダンスが高い程、液絡を判定するまでの時間を長くする。そのため、燃料電池スタック１２が高負荷連続発電の前に乾燥している場合に、液絡の判定をし難くするので、液絡の発生をより確実に判定することができる。
ここで、液絡解消制御工程では、開閉弁８８を開放して加湿していない空気を燃料電池スタック１２に供給することにより、固体高分子電解質膜３２とセパレータの間の乾燥を簡単に行うことができる。また、液絡解消制御工程では、燃料電池スタック１２の停止時に、燃料電池スタック１２が乾燥するように発電を継続することで、発電停止後に液絡状態となることを防止することができる。よって、イオンの溶出による燃料電池スタック１２の劣化を確実に防ぐことが可能となる。さらに、燃料電池スタック１２の停止前に液絡解消制御工程を実施しなくても、発電中に乾燥制御が不要に入ることを抑制することができる一方で、停止時には液絡の状態を解消して燃料電池スタック１２の劣化を防止することが可能となる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
２２…制御部 ２６…電解質膜・電極構造体
２８…第１セパレータ ３０…第２セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ８４…加湿器
８８…開閉弁 １１４…負荷
１３０…検出値取得部 １３４…結露判定部
１３６…液絡判定部 １３８…液絡解消制御部

Claims (9)

  1. 固体高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の間で挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層された燃料電池の動作時に、前記燃料電池の状態量を検出し、その検出値を取得する検出値取得工程と、
    取得した前記検出値に基づき、前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの間が液体によってつながる液絡の状態か否かを判定する液絡判定工程と、
    前記液絡と判定した場合に、前記燃料電池が乾燥するように動作させる液絡解消制御工程と、を有する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  2. 請求項１記載の制御方法において、
    前記液絡判定工程では、前記検出値である前記燃料電池の温度が温度閾値に達する前に発電停止される未暖機発電が、所定の回数又は所定時間実施された場合に前記液絡と判定する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  3. 請求項１又は２記載の制御方法において、
    前記燃料電池は、その動作時に生成する水の量が該燃料電池から排出する排出量よりも多い高負荷連続発電を行い、
    前記液絡判定工程では、前記高負荷連続発電が所定時間以上継続した場合又は前記検出値が所定の液絡判定閾値以下となった場合に前記液絡と判定する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記燃料電池は、その動作時に生成する水の量が該燃料電池から排出する排出量よりも多い高負荷連続発電を行い、
    前記液絡判定工程では、前記高負荷連続発電から前記燃料電池が電力を供給する負荷が所定の変化量低下する発電となった場合に前記液絡と判定する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記燃料電池は、その動作時に生成する水の量が該燃料電池から排出する排出量よりも多い高負荷連続発電を行い、
    前記液絡判定工程では、前記高負荷連続発電になる前に、前記検出値である前記燃料電池のインピーダンスが高い程、前記液絡を判定する時間を長くする
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記燃料電池の発電時に、前記カソード電極には、加湿器を介して加湿された空気が供給される構成であり、
    前記液絡解消制御工程では、前記加湿器をバイパスする開閉弁を開放することで、前記加湿器を介さない空気を前記燃料電池に供給する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記燃料電池の停止時に、前記液絡判定工程により前記液絡が判定されていた場合に、前記液絡解消制御工程では、前記燃料電池が乾燥するように前記燃料電池の発電を継続する
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  8. 請求項７記載の制御方法において、
    前記燃料電池の停止前に、前記液絡解消制御工程を実施しない
    ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
  9. 固体高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の間で挟持する電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層された燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の動作時に、前記燃料電池の状態量を検出し、その検出値を取得する検出値取得部と、
    取得した前記検出値に基づき、前記固体高分子電解質膜と前記セパレータとの間が液体によってつながる液絡の状態であるか否かを判定する液絡判定部と、
    前記液絡と判定した場合に、前記燃料電池が乾燥するように動作させる液絡解消制御部と、を有する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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