JP2018045876A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノード電極の劣化を抑制する燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１００は、水素ガスと酸化ガスとを反応させることにより発電すると共に、電気的に直列接続された複数の燃料電池セルを有するＦＣセルスタック２１と、複数の燃料電池セルのインピーダンスと電圧値とをそれぞれ測定するセルモニタ２２と、インピーダンスが第１の基準値を上回っているか否かを判定し、第１の基準値を上回っている場合に、燃料電池セルの水素濃度を上昇させるように制御する制御部５０とを備える。そして、制御部５０は、電圧値が第２の基準値を下回っているか否かをさらに判定し、第２の基準値を下回っている場合には、燃料電池セルに流れる電流を減少させる制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

近年、水素ガスと酸化ガスとを反応させることによって発電する燃料電池を用いたシステムが開発されている。このような燃料電池システムにおいては、水素ガスと酸化ガスとが適正に反応しているかどうかをモニタし、適正に反応していない場合に是正する手段が備わっている。

特許文献１には、所定周波数における交流電流及び交流電圧に基づいて燃料電池のインピーダンスを算出するインピーダンス算出手段と、インピーダンスに基づいて燃料電池の水素濃度を算出する水素濃度算出手段とを備える燃料電池システムが記載されている。このような燃料電池システムは、燃料電池の水素濃度を算出し、水素濃度が低いと判定した場合は、水素供給圧力を上昇させたり、あるいは、上限出力値を低下させたりすることにより、燃料電池システムの運転を是正する。

特開２０１３−１４０７１５号公報

しかし、インピーダンスをモニタすることにより水素濃度を算出する処理は、例えば数秒間といった、一定の時間が掛かる。そのため、より短時間に燃料電池に問題が発生した場合にはこれをすぐに是正することができない。例えば、燃料電池のアノード電極が完全に水素が欠乏した状態になると、アノード電極に含まれる炭素が不可逆的な酸化反応を起こして急激に劣化する。あるいは、燃料電池セルが絶縁破壊を起こしてしまう可能性がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セルの急激な電圧低下に対応した制御をする燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

本発明に係る燃料電池システムは、水素ガスと酸化ガスとを反応させることにより発電すると共に、電気的に直列接続された複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルのインピーダンスと電圧値とをそれぞれ測定するセルモニタと、前記インピーダンスが第１の基準値を上回っているか否かを判定し、前記インピーダンスが前記第１の基準値を上回っている場合に、前記燃料電池セルの水素濃度を上昇させるように制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記電圧値が第２の基準値を下回っているか否かをさらに判定し、前記電圧値が前記第２の基準値を下回っている場合には、前記燃料電池セルに流れる電流を減少させる制御を行うものである。

このように、複数の燃料電池セルに電気的に直列接続されたセルモニタが電圧をモニタすることにより、完全に水素が欠乏した状態に陥ったときに、燃料電池セルに流れる電流を減少させる制御を行い、アノード電極の劣化を抑制する。

尚、ここで、完全に水素が欠乏した状態とは、水素が完全に存在していないことをいうものではなく、燃料電池システムにおいて、基本的な運転性能に大きく支障をきたし、このままではシステムの故障や破壊につながる虞があるような程度の状態をいう。以降の説明についても同様である。

本発明により、燃料電池セルの急激な電圧低下に対応した制御をする燃料電池システムを提供することができる。

実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成図である。 実施の形態に係る燃料電池２０の等価回路である。 実施の形態に係るＦＣセルのインピーダンスを複素平面上に示したコールコールプロットである。 実施の形態に係る燃料電池システム１００における水素濃度を上昇させる制御のフローチャートである。 実施の形態に係る燃料電池２０の電圧とインピーダンスの相関を表したグラフである。 実施の形態に係る燃料電池２０が水素欠乏状態になる場合の電圧変化をプロットしたグラフである。 実施の形態に係る燃料電池システム１００における電流を減少させる制御のフローチャートである。 実施の形態に係る燃料電池システム１００におけるフローチャートである。

＜実施の形態＞
まず、本発明に係る実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成図である。燃料電池システム１００は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである空気とを反応させて発電し、発電した電気を他のシステムに供給する固体高分子燃料電池を利用したシステムである。また、燃料電池システム１００は、かかる反応により生成された水を排出する。燃料電池システム１００は、水素タンク１０、インジェクタ１１、水素循環路１２、水素循環ポンプ１３、排気排水部１４、排気排水弁１５、圧力計１６、圧力計１７、燃料電池２０、ラジエータ３０、冷却水ポンプ３１、冷却水循環路３２、分岐バルブ３３、エアクリーナ４０、エアコンプレッサ４１、インタークーラ４２、マフラ４３、エア通過路４４、制御部５０を備える。

以下、燃料電池システム１００の各構成について説明する。水素タンク１０は、燃料ガスである水素を密閉して蓄えており、インジェクタ１１に接続されている。インジェクタ１１は、開閉弁であって、弁を開くことにより、水素タンク１０から供給される水素ガスを適宜、水素循環路１２に送り込む。水素タンク１０と、インジェクタ１１との間には、圧力計１６が設けられている。圧力計１６は、水素タンク１０とインジェクタ１１との間における水素ガスの気圧をモニタする。

水素循環路１２は、インジェクタ１１から送られてきた水素を燃料電池２０に送り込むことができるように配管されている燃料ガス循環路である。また、水素循環路１２は、燃料電池２０において反応しなかった水素ガスや、燃料電池２０において生成された水分を回収した後に、再び燃料電池２０に送り込むことができるように配管されている。また、水素循環路１２は、水素循環ポンプ１３及び排気排水部１４に接続されている。インジェクタ１１と水素循環路１２との間には、圧力計１７が設けられている。圧力計１７は、インジェクタ１１と水素循環路１２との間における水素ガスの気圧をモニタする。

水素循環ポンプ１３は、水素循環路１２内における水分を含んだ水素の流量を制御する循環ポンプである。排気排水部１４は、水素循環路１２内に溜まった水及び水素を排出する機能を備える。排気排水部１４は、排気排水弁１５に接続されている。排気排水弁１５は、排気排水部１４に溜まった水及び水素を適宜排出する。排気排水弁１５はマフラ４３に接続されており、輩出した水及び水素をマフラ４３に送り出すことができるように配管されている。

燃料電池２０は、ＦＣ（Fuel Cell＝燃料電池）セルスタック２１、セルモニタ２２、電極２３、温度計２４、温度計２５を備える。

ＦＣセルスタック２１は、固体高分子電解質膜に触媒を塗ったＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜/電極複合体）をセパレータではさんだＦＣセルを複数積層することにより構成されている。

セルモニタ２２は、ＦＣセルスタック２１において、所定の複数のＦＣセルごとに設置されている。例えば、図１に例示するＦＣセルスタック２１は、４つのＦＣセルに対して１つのセルモニタが電気的に直列接続されている。また、セルモニタ２２は、図示しない電圧計及びインピーダンスメータを備えており、電気的に直列接続された複数セルの電圧及びインピーダンスを測定する。すなわち、図１に例示するＦＣセルスタック２１は、電気的に直列接続された４つのＦＣセルの電圧、及び、電気的に直列接続された４つのＦＣセルのインピーダンスを測定する。

電極２３は、燃料電池２０が発電した電気を外部のシステムに接続するための電極である。例えば、図示しない昇圧コンバータ及びモータを電極２３に接続する。これにより、燃料電池２０はモータを駆動させる駆動源となる。

温度計２４は、水素循環路１２内の温度を測定する。また、温度計２５は、冷却水循環路３２内の温度を測定する。

ラジエータ３０は、冷却水循環路３２に接続されており、冷却水が蓄積した熱を外気の熱と交換し、温まった冷却水の温度を下げる機能を備える。冷却水ポンプ３１は、冷却水循環路３２に接続されており、冷却水を循環させるポンプである。冷却水循環路３２は、ラジエータ３０、冷却水ポンプ３１に接続され、冷却水が燃料電池２０内を通過し、再びラジエータ３０に循環するように配管されている。また、冷却水循環路３２は、インタークーラ４２にも接続しており、圧縮された空気を冷却する。分岐バルブ３３は、温まった冷却水を、ラジエータ３０を通過させる通路と、ラジエータ３０を通過させない通路とに分岐させ、それぞれの流量を調整する。

エアクリーナ４０は、外気を取り込みエア通過路４４に空気を送り込む。エアコンプレッサ４１は、エアクリーナ４０が取り込んだ空気を圧縮してインタークーラ４２に送り込む。インタークーラ４２は、エアコンプレッサ４１によって圧縮された空気を受け取り、圧縮された空気の熱を冷却水によって冷却する。また、インタークーラ４２は、エア通過路４４に接続されている。

エア通過路４４は、燃料電池２０に空気を送り込むことができるように配管されている酸化ガス通過路である。また、エア通過路４４は、発電に使用されなかった空気及び、発電の際に生成された水を回収し、マフラ４３に送り込むことができるように配管されている。マフラ４３は、エア通過路４４から送り込まれた空気及び水と、排気排水部１４から送り込まれた水及び水素を、外部へ排出する機能を備える。

制御部５０は、インジェクタ１１、水素循環ポンプ１３、燃料電池２０、冷却水ポンプ３１、分岐バルブ３３、エアコンプレッサ４１に接続されており、これらを制御している。また、制御部５０は、燃料電池２０内が備えているセルモニタ２２が測定するＦＣセルスタック２１のインピーダンスから、ＦＣセルスタック２１の含水量を推定する。また、制御部５０は、燃料電池２０内が備えているセルモニタ２２が測定するＦＣセルスタック２１の電圧から、局部的な水の滞留などによる発電効率の低下を判定する。さらに、制御部５０は、水素循環路１２の温度、冷却水の温度、及び、水素循環ポンプ１３の回転数に基づいて、水素循環路１２内の結露水の量を推定する。

次に、燃料電池２０の発電原理について概要を説明する。ＦＣセルスタック２１は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである空気とを、ＭＥＡを介して反応させることにより発電する。具体的には、ＦＣセルスタック２１において、以下の式に基づいた化学反応が起きている。
負極： Ｈ２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
正極： ４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
負極において、燃料ガスである水素は、プロトン（Ｈ^＋）と、電子（ｅ⁻）とに分かれる。プロトンは、ＭＥＡ内の電解質膜を通過して正極に移動する。また、この式からも分かるように、ＦＣセルスタック２１は、発電の際に水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。生成した水がＭＥＡの表面に滞留したままになると、水素又は空気の反応を妨げることになる。そのため、生成した水は、効率よく排出されることが望まれる。

ＦＣセルスタック２１は、１つのＦＣセルで発電する際の電圧は、例えば１Ｖ程度である。ＦＣセルスタック２１は、このＦＣセルを数百枚積層して電気的に直列接続することにより、数百Ｖの電圧を発生させる。

続いて、水素循環路１２における水素の流れについて説明する。インジェクタ１１が開くことにより、水素循環路１２に水素が供給される。水素は、水素循環路１２を通り、燃料電池２０内へ到達する。燃料電池２０は、受け取った水素を、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解してＭＥＡを通過させる。このとき、反応しなかった水素に加えて、上述した反応により発生した水分が水素極側へ漏れ出す。水素循環路１２は、この水分を含んだ水素ガスを回収し、燃料電池２０の外部にある排気排水部１４に送り出す。排気排水部１４では、適宜過剰な水分を排出する。そして、水素ガスは、水素循環ポンプ１３によって圧送され、再び燃料電池２０内へ送り込まれる。

次に、冷却水によって燃料電池２０が冷却される原理について説明する。燃料電池２０が発電する際、燃料電池２０は熱を発生する。燃料電池２０内の冷却水は、この熱により温められる。すなわち、燃料電池２０は冷却水と熱を交換することになる。そのため、燃料電池２０は、冷却水により冷やされる。冷却水ポンプ３１は、冷却水を圧送し、温められた冷却水をラジエータ３０に送り込む。ラジエータ３０は、冷却水の熱と、外気の熱を交換することにより、冷却水の温度を下げる。そして、温度の下がった冷却水は、冷却水ポンプ３１により圧送され、再び燃料電池２０内に送り込まれる。このように、冷却水が燃料電池２０とラジエータ３０を循環する。これにより、冷却水は発熱している燃料電池の冷却を行う。

次に、図２を参照しながら、燃料電池２０のインピーダンスについて説明する。図２は、実施の形態に係る燃料電池２０の等価回路である。燃料電池２０のＦＣセルは、アノード電極と、透過膜と、カソード電極により構成される。ここで、交流回路においては、アノード電極は回路２６によって表すことができ。透過膜は、回路２７すなわち抵抗Ｒｏｈｍとして表すことができる。また、カソード電極は回路２８によって表すことができる。具体的には、燃料電池２０は、セルスタックに交流電流を重畳させる。セルモニタ２２は、例えば高速フーリエ変換処理等を行うことにより、図２に示した等価回路における所定の周波数の交流信号に対応したインピーダンスを算出する。

次に、図３を参照しながら、ＦＣセルのインピーダンスと水素濃度との関係について説明する。図３は、実施の形態に係るＦＣセルのインピーダンスを複素平面上に示したコールコールプロットである。図３におけるグラフの、横軸は、複素平面の実部Ｒｅ（Ｚ）であり、縦軸は、複素平面の虚部Ｉｍ（Ｚ）である。

固体高分子燃料電池のＦＣセルは、ＦＣセル内の水素濃度によりインピーダンスが変化することが知られている。すなわち、図３において、破線で示した曲線７１は、水素濃度が相対的に高い状態を表しており、実線で示した曲線７０は、水素濃度が相対的に低い状態を表している。つまり、通常運転に比べてＦＣセルに含まれる水素の濃度が低い場合には、相対的にインピーダンスが高くなる。さらに、この現象は、交流電流の周波数ωが低い方が顕著となる。以上のように、燃料電池システム１００において、セルモニタ２２が、低周波のインピーダンスをモニタすることにより、ＦＣセル内の水素濃度が低いか否かを判定することができる。

ここで、セルモニタ２２は、ＦＣセルスタック２１において、所定の複数のＦＣセルごとに設置されている。例えばｎ番目のセルモニタ２２をセルモニタ２２（ｎ）と表示する。このとき、セルモニタ２２（ｎ）により測定されたインピーダンスが所定の基準値を上回る場合は、セルモニタ２２（ｎ）に接続されているＦＣセルにおいて水素濃度が低下していることになる。

次に、図４を参照しながら、水素濃度を上昇させる制御について説明する。図４は、実施の形態に係る燃料電池システム１００における水素濃度を上昇させる制御のフローチャートである。

燃料電池システム１００の制御部５０は、セルモニタ２２によって測定されるインピーダンスが所定の基準値よりも上回っているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。インピーダンスが所定の基準値よりも上回っていなかった場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、燃料電池システム１００は、引き続きインピーダンスの値を測定しながら通常運転を継続する。一方、インピーダンスが所定の基準値よりも上回っていた場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、ＦＣセルの水素濃度が低下している。そこで、制御部５０は、水素濃度を上昇させる制御を行う（ステップＳ２０２）。

ここで、インピーダンスが上昇する場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）について例示する。ＦＣセルのインピーダンスが上昇するのは、セルモニタ２２が接続されているＦＣセルにおいて水素濃度が低下しているためである。水素濃度が低下する原因としては、例えば、水素を供給するインジェクタ１１の不調、水素ガスを循環させる水素循環ポンプ１３の不調などによる水素供給不足が挙げられる。また、水分過多になると、水素循環路１２やアノード電極内に水が滞留し、その結果水素が部分的に欠乏することが考えられる。さらには、低温環境下において、電極内に凍結が起きると、凍結した部分に水素が行き渡らず、水素が部分的に欠乏することが考えられる。

次に、水素濃度を上昇させる制御（ステップＳ２０２）について例示する。上述したような原因によって水素濃度が低下した場合、制御部５０は、例えば次のような制御を行うことにより、さらなる水素濃度の低下を抑制し、水素濃度を上昇させる。例えば、インジェクタ１１の両端にそれぞれ設置されている圧力計１６と圧力計１７とを測定することにより、インジェクタ１１から十分に水素が供給されていないと判断された場合、制御部５０は、インジェクタ１１を開いて水素をさらに供給する。また、結露が起きるなどして、水素循環路１２やアノード電極内に水が滞留していると判断された場合、制御部５０は、水素循環ポンプ１３の回転数を上げて、水分を分散させると共に、発電を促すことによりＦＣセル内の温度を上昇させて、水分を蒸発させる。また、ＦＣセル内の温度を上昇させるためには、冷却水ポンプ３１の回転数を下げるか、又は、分岐バルブ３３を調整することにより、ラジエータ３０へ向かう冷却水を減少させる。

制御部５０が以上に例示したような制御を行った後、制御部５０は、再びインピーダンスが所定の基準値よりも上回っているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。このようにして、制御部５０は、インピーダンスが所定の基準値よりも上回らなくなるまで、水素濃度を上昇させる制御を繰り返す。

次に、図５を参照しながら、ＦＣセルの電圧とインピーダンスとの相関について説明する。図５は、実施の形態に係る燃料電池２０の電圧とインピーダンスの相関を表したグラフである。図５におけるグラフの横軸は電圧Ｖｃ（Ｖ）であり、縦軸はインピーダンスＩｍ（ｍΩ・ｃｍ^２）である。

発明者らは、本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、ＦＣセルの水素濃度が低下すると、インピーダンスが上昇すると共に、電圧が低下していることを見出した。すなわち、通常運転状態において、セルモニタ２２が測定した電圧Ｖｃが電圧Ｖｃ１（Ｖ）であり、このときのインピーダンスＩｍがＩｍ１である。その後、水素濃度が低下した場合において、インピーダンスＩｍは、徐々に上昇する。そして、インピーダンスＩｍの上昇に伴って、電圧Ｖｃは低下し、矢印８０の方向へ変動する。その結果、インピーダンスＩｍは、インピーダンスＩｍ２となり、電圧Ｖｃは、電圧Ｖｃ２となる。

次に、図６を参照しながら、燃料電池２０が水素欠乏状態になる場合について説明する。図６は、実施の形態に係る燃料電池２０が水素欠乏状態になる場合の電圧変化をプロットしたグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は時刻（ｓ）であり、縦軸は電圧Ｖｃ（Ｖ）である。

発明者らは、セルモニタ２２が所定の複数セルごとに設置されている場合において、セルモニタ２２の電圧値を測定した。その結果、発明者らは、セルモニタ２２に接続されているＦＣセルにおいて完全に水素が欠乏する状態になる場合には、セルモニタ２２の電圧値が低下することを見出した。

図６のｔ０において、燃料電池システム１００は通常運転をしており、このときの電圧Ｖｃは、Ｖｃ１である。次に、時刻ｔ１において、ＦＣセルに供給する水素の量を一定に保ちつつ、燃料電池２０に接続されている負荷を制御することにより電流密度を上昇させる。すると、ＦＣセル内の水素濃度が低下すると共に、電圧Ｖｃが低下し始める。時刻ｔ２において、セルモニタ２２の測定する電圧ＶｃはＶｃ２まで低下する。そして、その後も電圧Ｖｃはさらに低下する。時刻ｔ３において、電圧Ｖｃはさらに急激に低下して、電圧Ｖｃ３になる。尚、このような状態になり、ＦＣセル内の水素が完全に欠乏した状態になると、アノード電極のカーボンに酸化反応が起こり、不可逆的に劣化する。又は、ＦＣセル内において絶縁破壊が起こる可能性がある。そのため、このような事態を避ける必要がある。

次に、図７を参照しながら、完全に水素が欠乏した状態を抑制する制御について説明する。図７は、実施の形態に係る燃料電池システム１００における電流を減少させる制御のフローチャートである。

燃料電池システム１００の制御部５０は、セルモニタ２２によって測定される電圧が所定の基準値よりも下回っているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。電圧が所定の基準値よりも下回っていなかった場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、燃料電池システム１００は、引き続き電圧値を測定しながら通常運転を継続する。一方、電圧が所定の基準値よりも下回っていた場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、ＦＣセル内の電極は、完全に水素が欠乏した状態となっている。そこで、制御部５０は、燃料電池２０の電流を減少させる制御を行う（ステップＳ３０２）。

ここで、ＦＣセルの電極において完全に水素が欠乏する状態について例示する。ＦＣセルにおいてこのような状態になるのは、例えば、冷却水ポンプ３１が故障することにより、ＦＣセル内の温度が摂氏１００度に近くなり、ＦＣセルが乾いた状態になる場合が考えられる。また、インジェクタ１１が故障することにより、燃料電池の負荷に対して水素の供給量が不足した状態が続く場合が考えられる。

次に、燃料電池２０の電流を減少させる制御（ステップＳ３０２）について例示する。ＦＣセルの水素が完全に欠乏する状態になった場合、制御部５０は、例えば、ＦＣセルが乾いた状態になっていると考えられる場合には、さらなる温度の上昇を抑制するために、インジェクタ１１又は水素循環ポンプ１３を制御することにより、水素の供給量を減らし、発電反応を抑える。また、燃料電池２０の電流を制限することにより、ＭＥＡを通過するプロトンの量を抑え、ＦＣセルに流れる電流を減少させる。これにより、急激なアノード電極の劣化を抑制することができる。

制御部５０が以上に例示したような制御を行った後、制御部５０は、再び電圧が所定の基準値よりも下回っているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。このようにして、制御部５０は、電圧が所定の基準値よりも下回らなくなるまで、電流を制限する制御を繰り返す。

次に、図８を参照しながら、燃料電池システム１００における制御部５０の処理について説明する。図８は、実施の形態に係る燃料電池システム１００におけるフローチャートである。制御部５０は、上述したような水素濃度を上昇させる制御、及び、電流を減少させる制御を組み合わせて、以下に説明するような制御を行う。

まず、通常運転において、制御部５０は、ＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値よりも下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。ＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値よりも下回っている場合（ステップＳ４０１：Ｙｅｓ）、制御部５０は、インピーダンスＩｍが所定のしきい値Ｉｍｔｈを上回っているか否かを判定する（ステップＳ４０２）。

インピーダンスＩｍが所定のしきい値Ｉｍｔｈを上回っていない場合（ステップＳ４０２：Ｎｏ）、燃料電池システム１００は、通常運転の状態にある。そこで、制御部５０は、ステップＳ４０１に戻り、再びＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値よりも下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。

一方、インピーダンスＩｍが所定のしきい値Ｉｍｔｈを上回っている場合（ステップＳ４０２：Ｙｅｓ）、燃料電池システム１００は、ＦＣセルの水素濃度が低下している。そこで、制御部５０は、水素濃度を上昇させる制御を行う（ステップＳ４０３）。水素濃度を上昇させる制御の具体例は既に説明した通りであるため、ここでの説明は省略する。

次に、制御部５０は、インピーダンスＩｍが所定のしきい値Ｉｍｔｈを上回っているか否かを判定する（ステップＳ４０４）。

インピーダンスＩｍが所定のしきい値Ｉｍｔｈを上回っていない場合（ステップＳ４０４：Ｎｏ）、直前に行った、水素濃度の低下を抑制する制御により、燃料電池システム１００は、通常運転に戻ったことになる。そこで、制御部５０は、ステップＳ４０１に戻る。

一方、インピーダンスＩｍが所定のしきい値Ｉｍｔｈを上回っている場合（ステップＳ４０４：Ｙｅｓ）、ＦＣセルの水素濃度が異常に低下している虞がある。そこで、制御部５０は、電圧Ｖｃが、所定のしきい値Ｖｃｔｈ２を下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０５）。

電圧Ｖｃが、所定のしきい値Ｖｃｔｈ２を下回っていない場合（ステップＳ４０５：Ｎｏ）、ＦＣセルの水素濃度が異常に低下している虞はない。そこで、制御部５０は、再び、水素濃度を上昇させる制御を行う（ステップＳ４０３）。

一方、電圧Ｖｃが、所定のしきい値Ｖｃｔｈ２を下回っている場合（ステップＳ４０５：Ｙｅｓ）、ＦＣセルの水素濃度が異常に低下している虞がある。そこで、制御部５０は、ＦＣセルに流れる電流を減少させる制御を行う（ステップＳ４０６）。電流を減少させる制御の具体例は既に説明した通りであるため、ここでの説明は省略する。

このように、インピーダンスＩｍをモニタすることにより、水素濃度を上昇させる制御を行った後に、電圧Ｖｃをモニタすることにより、急激に水素欠乏状態に陥るような事態においてもＦＣセルに流れる電流を減少させる制御を行うことができる。制御部５０がＦＣセルに流れる電流を減少させる制御を行った後、制御部５０は、ステップＳ４０１に戻り、再びＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値Ｔｓｔｈを下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。

ＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値Ｔｓｔｈを下回っていない場合（ステップＳ４０１：Ｎｏ）、制御部５０は、電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈ１を下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０７）。

電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈ１を下回っていない場合（ステップＳ４０７：Ｎｏ）、燃料電池システム１００は通常運転の状態である。そこで、制御部５０は、ステップＳ４０１に戻り、再びＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値Ｔｓｔｈを下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。

一方、電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈ１を下回っている場合（ステップＳ４０７：Ｙｅｓ）、ＦＣセルスタック２１が高温になっており、且つ、電圧Ｖｃが低下している。すなわち、ＦＣセル内の水分が蒸発することにより、発電効率が低下していると想定される。そこで、制御部５０は、乾きを抑制する制御を行う（ステップＳ４０８）。乾きを抑制する制御としては、例えば、制御部５０は、冷却水ポンプ３１の回転数を上昇させて、ＦＣセルスタック２１の冷却を行う。

次に、制御部５０は、電圧Ｖｃを再び測定し、電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈよりも下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０９）。電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈよりも下回っていない場合（ステップＳ４０９：Ｎｏ）、直前に行った乾きを抑制する制御によって、燃料電池の運転状態は通常運転に戻ったと想定される。そこで、制御部５０は、ステップＳ４０１に戻り、再びＦＣセルスタック２１の温度Ｔｓが所定のしきい値Ｔｓｔｈを下回っているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。

一方、電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈよりも下回っていた場合（ステップＳ４０９：Ｙｅｓ）、制御部５０は、電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈ２を下回っているか否かを判定する（ステップＳ４１０）。電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈ２を下回っていない場合（ステップＳ４１０：Ｎｏ）、制御部５０は、再び乾きを抑制する制御を行う（ステップＳ４０８）。

一方、電圧Ｖｃが所定のしきい値Ｖｃｔｈ２を下回っている場合（ステップＳ４１０：Ｙｅｓ）、ＦＣセル内の水素が完全に欠乏している。そこで、制御部５０は、燃料電池２０の電流を減少させる制御を行う（ステップＳ４０６）。制御部５０は、燃料電池２０の電流を制限する制御を行った後、再びステップＳ４０１に戻る。

以上のように、
このように、複数のＦＣセルに電気的に直列接続されたセルモニタ２２が電圧をモニタすることにより、完全に水素が欠乏した状態に陥ったときに、ＦＣセルに流れる電流を減少させる制御を行い、アノード電極の劣化を抑制する。これにより、燃料電池セルの急激な電圧低下に対応した制御をする燃料電池システムを提供することができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、ここで説明した内容に加えて、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１１ インジェクタ
１３ 水素循環ポンプ
２０ 燃料電池
２１ ＦＣセルスタック
２２ セルモニタ
３１ 冷却水ポンプ
３３ 分岐バルブ
４１ エアコンプレッサ
５０ 制御部
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 水素ガスと酸化ガスとを反応させることにより発電すると共に、電気的に直列接続された複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルのインピーダンスと電圧値とをそれぞれ測定するセルモニタと、
   前記インピーダンスが第１の基準値を上回っているか否かを判定し、前記インピーダンスが前記第１の基準値を上回っている場合に、前記燃料電池セルの水素濃度を上昇させるように制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記電圧値が第２の基準値を下回っているか否かをさらに判定し、前記電圧値が前記第２の基準値を下回っている場合には、前記燃料電池セルに流れる電流を減少させる制御を行う、
   燃料電池システム。

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