JP2005209635A - 燃料電池の発電運転制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止時の掃気時間を短くし、かつ起動時の始動性を向上させる。
【解決手段】燃料電池の発電運転の継続中に、電解質膜と反応ガス流路中の両方の残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御しているので、燃料電池の運転継続中（Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４「否定」→Ｓ２…）における電解質膜の残留水分を最適に制御することができる。その結果、燃料電池の停止時（Ｓ４）における掃気時間（Ｓ７）を軽減あるいは不要にすることができ、かつ発電停止（Ｓ９）後の再起動時の始動性を向上できる。
【選択図】図３

Description

この発明は、電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に設けた反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の発電運転制御方法に関し、特に発電停止後の再起動時における始動性を向上させる燃料電池の発電運転制御方法及びその装置に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、反応ガス流路が形成されたセパレータによって挟んで保持している。

この燃料電池において、反応ガス流路を通じてアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう。）は、電極触媒上で水素が陽イオン化され、電解質膜を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード電極には、反応ガス流路を通じて、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう。）が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、特許文献１に記載されているように、固体高分子型燃料電池では、長時間の発電運転後に、電解質膜が過剰の加湿状態又は乾燥状態となり電池性能が低下するという問題が指摘されている。

また、特許文献２、３に記載されているように、固体高分子型燃料電池では、カソード電極側において、過剰な水分が滞留して運転効率が低下するという問題が指摘されている。

これらの問題を解決するために、特許文献１では、電解質膜の電導度に応じて、また特許文献２では、出力電圧とインピーダンスに応じて、特許文献３では、所定サイクル毎に、それぞれ加湿空気あるいは乾燥空気を交互に燃料電池に供給する燃料電池が記載されている。

さらに、特許文献４には、燃料電池を氷点下（水の凍結温度以下）で始動させようとすると、燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献４には、発電動作を停止したとき、反応ガス流路に加湿されていない掃気流体（パージ流体）、例えば窒素ガスを供給して、反応ガス流路内の水を掃気（パージ）することが燃料電池の凍結時起動能力を向上させる点で好ましいと記載されている。

特開平５−４７３９４号公報 特開平７−２３５３２４号公報 特開平１０−６４５６９号公報 特表２００３−５１０７８６号公報（［００４７］、［００４８］）

しかしながら、上記特許文献１〜３に係る技術により発電中の水分制御を行ったとしてもそれが燃料電池に関する最適水分制御とは限らず、また、発電停止時に、上記特許文献４に係る技術により掃気したとしても、その掃気時間が長くかかってしまうという問題がある。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、発電運転中における燃料電池の水分を最適に制御することを可能とし、かつ燃料電池の発電停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にすることを可能とする燃料電池の発電運転制御方法及びその装置を提供することを目的とする。

また、この発明は、発電停止後の再起動時の始動性を向上させることを可能とする燃料電池の発電運転制御方法及びその装置を提供することを目的とする。

さらに、この発明は、水の凍結温度以下の環境下においても迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することが可能な燃料電池の発電運転制御方法及びその装置を提供することを目的とする。

この項では、この発明の理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明の燃料電池の発電運転制御方法は、電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に反応ガス流路（４６、４８）を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の発電運転制御方法において、前記発電運転の継続中に、前記電解質膜の残留水分を検知する電解質膜残留水分検知工程（Ｓ３ａ）と、前記反応ガス流路中の残留水分を検知する反応ガス流路残留水分検知工程（Ｓ３ｃ）と、検知した電解質膜残留水分及び検知した反応ガス流路残留水分に応じて、前記反応ガスの湿り具合を制御する反応ガス湿り具合制御工程（Ｓ３ｅ、Ｓ３ｄ）とを備えることを特徴とする（請求項１記載の発明）。

この発明によれば、燃料電池の発電運転の継続中に、電解質膜と反応ガス流路中の両方残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御しているので、燃料電池の運転継続中の電解質膜の残留水分を最適に制御することができる。すなわち、発電運転中における燃料電池の水分を最適制御することができ、その結果、燃料電池の停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にすることができる。

この場合、前記電解質膜残留水分検知工程での前記電解質膜残留水分は、前記電解質膜の膜抵抗値に基づいて求めることができる（請求項２記載の発明）。

また、前記反応ガス流路残留水分検知工程での前記反応ガス流路中の残留水分は、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間の圧力差に基づいて求めることができる（請求項３記載の発明）。

前記反応ガス湿り具合制御工程の後に、さらに、発電停止信号の入力に基づき発電停止時処理を行い発電を停止する発電停止時処理工程を設け、前記発電停止時処理は、前記発電停止信号の入力を検知する発電停止信号検知工程（Ｓ４）と、前記発電停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜に水分が残留していて、かつ前記反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する最適水分残留条件判定工程（Ｓ６）と、前記最適水分残留条件が成立していると判定したとき発電を停止する発電停止工程（Ｓ９）とを備えることで、発電停止後の再起動時には、電解質膜には残留水分が残留しているので陽イオンが透過し易く、かつ反応ガス流路に水分が残留していないので凍結が発生することがないため、水の凍結温度以下の環境下においても迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる（請求項４記載の発明）。すなわち、この発明によれば、発電停止後の再起動時の始動性が向上する。

上述した燃料電池は、前記電解質膜を挟んで保持する前記アノード電極と前記カソード電極とを設けた電解質膜・電極構造体（２０）を有し、前記電解質膜・電極構造体がセパレータ（２２）（２４）により挟んで保持され、かつ前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対面する部分に前記反応ガス流路が設けられた発電セルを複数積層したスタック構造にされている、いわゆる燃料電池スタック（１２）も含む（請求項５記載の発明）。

また、この発明の燃料電池の発電運転制御装置は、電解質膜（２０ｂ）を挟んで保持するアノード電極（２０ａ）とカソード電極（２０ｃ）の両側に反応ガス流路（４６）（４８）を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の発電運転制御装置において、発電運転の継続中に前記電解質膜の残留水分を検知する電解質膜残留水分検知手段（６０：Ｓ３ａ）と、発電運転の継続中に前記反応ガス流路中の残留水分を検知する反応ガス流路残留水分検知手段（６０：Ｓ３ｃ）と、発電運転の継続中に、検知した電解質膜残留水分及び検知した反応ガス流路残留水分に応じて、前記反応ガスの湿り具合を制御する反応ガス湿り具合制御手段（６０：Ｓ３ｅ、Ｓ３ｄ）とを備えることを特徴とする（請求項６記載の発明）。

この発明によれば、燃料電池の発電運転の継続中に、電解質膜と反応ガス流路中の両方残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御しているので、燃料電池の運転継続中の電解質膜の残留水分を最適に制御することができる。すなわち、発電運転中における燃料電池の水分を最適制御することができ、その結果、燃料電池の停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にすることができる。

この発明によれば、発電運転中における燃料電池の水分を最適に制御できるので、燃料電池の停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にすることができる。

そのため、発電停止後の再起動時の始動性を向上でき、水の凍結温度以下の環境下においても迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の発電運転制御方法を実施し、かつ燃料電池の発電運転制御装置の一実施形態を含む燃料電池システム１０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を有し、この燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層した積層体として構成される。燃料電池スタック１２の積層方向両端部には、正極側ターミナルプレート１６ａ及び負極側ターミナルプレート１６ｂと、エンドプレート１８ａ、１８ｂとが、順次、設けられる。エンドプレート１８ａ、１８ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が形成される。

各発電セル１４は、電解質膜・電極構造体２０と、この電解質膜・電極構造体２０を挟持する金属のセパレータ２２、２４とを備える。セパレータ２２、２４には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、シール材が一体成形されている。

図２は、図１に示した燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１２の構成要素である発電セル１４の分解斜視説明図である。

図２に示すように、発電セル１４の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、一方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び他方の反応ガスである燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル１４の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０ｂと、この固体高分子電解質膜２０ｂ挟んで保持するアノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃとを備える（図１及び図２参照）。

アノード電極２０ａ及びカソード電極２０ｃは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２０ｂの両面に接合されている。

セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路ともいう。）４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とカソード電極２０ｃとの間に形成される。

セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路ともいう。）４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延びて存在する複数の溝部とアノード電極２０ａとの間に形成される。

セパレータ２２の面２２ｂとセパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａから供給される冷却媒体を冷却媒体排出連通孔３２ｂに導くための冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、金属セパレータ２２に設けられる複数の溝部と、セパレータ２４に設けられる複数の溝部とを重ね合わせることにより、矢印Ｂ方向に延びて一体的に構成される。

再び、図１において、燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、基本的には、燃料電池スタック１２と、この燃料電池システム１０全体を制御する制御部６０と、燃料ガス供給系６２と、酸化剤ガス供給系６４とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル（燃料電池）１４が電気的に直列に接続され、正極側ターミナルプレート１６ａから発電電流Ｉｆが出力される。

この場合、各発電セル１４で発生された電圧（セパレータ２４と２２間の電圧）の電圧値Ｖｃは、電圧センサとしても機能する制御部６０に図示しない電線を介して取り込まれる。

正極側ターミナルプレート１６ａから出力された発電電流Ｉｆは、電流センサ６８を通じ、負荷制御器７０を介して走行用モータを含む負荷７２、及び補機（コンプレッサ１０２、各種バルブ等）に供給される。

この発電電流Ｉｆの電流値（符号はＩｆを使用する。）は、電流センサ６８により検出され、制御部６０に取り込まれる。制御部６０では、各発電セル１４の電圧値Ｖｃを加算することで燃料電池スタック１２の発電電圧Ｖｓ（ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ間の電圧）を計算し、発電電力をＶｓ×Ｉｆとして管理する。

一方のエンドプレート１８ａには、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じて空気を供給するための空気供給口７８ａと、発電セル１４から排出される未使用の酸素を含む空気を酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して排出するための空気排出口７８ｂとが設けられる。

他方のエンドプレート１８ｂには、各発電セル１４の燃料ガス流路４８に燃料ガス供給連通孔３４ａを介して水素ガスを供給するための水素供給口７６ａと、発電セル１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料ガス排出連通孔３４ｂを介して排出するための水素排出口７６ｂとが設けられる。

燃料ガス供給系６２は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する水素供給流路８２と、燃料電池スタック１２から未使用の燃料ガスを含む排ガスを排出する水素排出流路８３と、排出ガス（水素含有ガス）を水素供給流路８２の途上に戻して燃料電池スタック１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。

水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、水素タンク８６から図示しない水素供給バルブを通じて供給される燃料ガスの圧力を減圧するレギュレータ８８と、減圧された燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ９０と、燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ９２とが設けられる。圧力センサ９２により検出された燃料ガスの圧力値Ｐｈは、制御部６０に取り込まれる。

水素排出流路８３には、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを廃棄するためのパージバルブ９４が設けられる。

酸化剤ガス供給系６４は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガス（空気）を供給する空気供給流路９８と、燃料電池スタック１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路１００とを備える。

空気供給流路９８には、空気を圧縮して出力するためのコンプレッサ１０２と、コンプレッサ１０２から出力された圧縮空気に水分を与えて加湿空気として供給する加湿器１０３と、加湿器１０３を通じて供給される加湿空気とコンプレッサ１０２から直接供給される乾燥空気の混合割合を制御する切替バルブ１０５と、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガス（空気）の圧力を検出する圧力センサ１０４とが設けられる。圧力センサ１０４により検出された酸化剤ガスの供給圧力値Ｐｉｎは制御部６０に取り込まれる。

空気排出流路１００には、燃料電池スタック１２の空気出口温度を検出する温度センサ１０６と、空気出口圧力を検出する圧力センサ１０７と、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力を制御するための圧力調整バルブ１０８とが設けられる。温度センサ１０６と圧力センサ１０７によりそれぞれ検出された空気出口温度値Ｔａと空気出口圧力値Ｐｏｕｔは、制御部６０に取り込まれる。

制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有し、演算・制御・記憶・処理手段として機能し、この実施形態において、電解質膜残留水分検知手段、反応ガス流路残留水分検知手段、及び反応ガス湿り具合制御手段としても機能する。

この制御部６０には、燃料電池システム１０のイグニッションスイッチとして機能する起動スイッチ１３８や図示していないアクセルの開度を示すアクセル開度センサも接続されている。制御部６０に対して、起動スイッチ１３８からオン状態に対応する発電開始信号（Ｉｇ＝１）が供給されることで発電運転の開始処理がなされ、オフ状態に対応する発電停止信号（Ｉｇ＝０）が供給されることで発電運転の停止処理がなされる。

そして、制御部６０（のＣＰＵ）は、各種入力（起動スイッチ１３８からの信号Ｉｇ、及び各セル電圧値Ｖｃ、発電電流値Ｉｆ、空気供給圧力値Ｐｉｎ、空気出口圧力値Ｐｏｕｔ、水素入口圧力値Ｐｈ、空気出口温度Ｔａ等）に対応して、プログラムを実行することで、コンプレッサ１０２の回転数、レギュレータ８８の開度、切替バルブ１０５の切替位置、負荷制御器７０の制御等を行い、所定の発電電流Ｉｆを発生して負荷制御器７０に供給するとともに、燃料電池システム１０全体を統括して制御する。

この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かつ動作するものであり、次に、この燃料電池システム１０のより詳しい動作について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１において、ユーザの操作により起動スイッチ１３８がオフ状態からオン状態にされると（Ｉｇ＝０→１）、ステップＳ２において、燃料電池システム１０が始動され燃料電池スタック１２の通常発電運転が行われる。

この通常発電運転の継続時には、水素タンク８６から供給される燃料ガスが、レギュレータ８８を介して所定の圧力に調整され、エゼクタ９０を介し水素供給流路８２を通じて燃料電池スタック１２の水素供給口７６ａに供給される。

水素供給口７６ａに供給された燃料ガスは、各発電セル１４を構成する燃料ガス供給連通孔３４ａを通じ燃料ガス流路４８に沿ってアノード電極２０ａに供給されアノード電極２０ａに沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂを通じ水素排出口７６ｂから水素排出流路８３に排出されて水素循環流路８４に送られる。

水素循環流路８４に排出された排ガスは、エゼクタ９０の吸引作用下に、水素供給流路８２の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１２内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。

一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてコンプレッサ１０２から供給され、通常運転時には、切替バルブ１０５を介し、加湿器１０３を通じて加湿空気（加湿ガス）が空気供給流路９８に供給される。この空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口７８ａから各発電セル１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ酸化剤ガス流路４６に沿ってカソード電極２０ｃに供給されカソード電極２０ｃに沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを通じ空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出される。

これにより、各発電セル１４では、アノード電極２０ａに供給される燃料ガスである水素と、カソード電極２０ｃに供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。

この発電の過程について詳しく説明すると、アノード電極２０ａにおいて水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは電解質膜２０ｂ内を水分を伴ってカソード電極２０ｃ側に到達する。発生した電子は、アノード電極２０ａから負極側ターミナルプレート１６ｂを通じ外部負荷（負荷制御器７０、負荷７２及び補機等）を介し、電流センサ６８を通じ正極側ターミナルプレート１６ａを介してカソード電極２０ｃに到達する。そして、電解質膜２０ｂのカソード電極２０ｃ側で、酸素が水素イオン及び電子と結合して水になる。

このように発電セル（燃料電池セルともいう。）１４では、アノード電極２０ａで生成された水素イオンが電解質膜２０ｂの中を通ってカソード電極２０ｃに移動するときには、水の分子を同伴する。したがって、水素イオンの導電性を維持するために、電解質膜２０ｂは、水分を含んだ湿潤の状態であることが必須の要件とされている。

この場合、酸化剤ガス供給系６４では、酸化剤ガスのガス圧力が、目標の発電電流値Ｉｆに基づき圧力調整バルブ１０８を介して所定の圧力に調整されるとともに、酸化剤ガスのガス流量がコンプレッサ１０２の回転数制御によって所定の流量に調整される。

一方、燃料ガス供給系６２では、水素ガスのガス圧力がレギュレータ８８を介して所定の圧力に調整されるとともに、水素ガスのガス流量がエゼクタ９０を介して所定の流量に調整されている。

ステップＳ２の通常発電運転が継続されているときに、ステップＳ３に示す発電運転中における電解質膜２０ｂ及び反応ガス流路４６、４８の水分残留状態の最適化処理を行う。

この水分残留状態の最適化処理は、燃料電池スタック１２の発電状態の最適化を図るとともに、後述する燃料電池システム１０の発電停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にするための処理であり、発電継続中に、各発電セル１４を構成する空気の流路である酸化剤ガス流路４６内の残留水分と電解質膜２０ｂの残留水分を確認し、電解質膜２０ｂに水分が所定量残留していて、かつ酸化剤ガス流路４６内に水分が残留していない最適水分残留条件を成立させる処理工程である。

そして、最適水分残留条件が成立しているときに、発電停止処理がなされた場合、その発電停止処理がなされた時点の以降の時点で起動スイッチ１３８がオフ状態からオン状態に切り替えられた再起動時に、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留していないことから凍結が発生しないことを確実化し、また電解質膜２０ｂに水分が残留しているので水素イオン（陽イオン）が透過し易いことを確実化し、結果として確実に正常な発電を開始することができる。すなわち、ステップＳ３に示す発電運転中における電解質膜２０ｂ及び反応ガス流路４６、４８の水分残留状態の最適化処理を行うことで、水の凍結温度以下の環境でも迅速な起動が確実に遂行され、起動後、通常発電運転に直ちに移行させることができる。

水分残留状態の最適化処理を行わない場合、発電運転状況により、電解質膜２０ｂ及び酸化剤ガス流路４６の水分残留状態が以下の３態様を有する可能性がある。

（ｉ）酸化剤ガス流路４６内に液滴の水が残留している状態（電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６がともに湿潤状態）。（ｉｉ）電解質膜２０ｂ内に水分が残留している状態（電解質膜２０ｂのみが湿潤状態）。（ｉｉｉ）電解質膜２０ｂが乾燥している状態（電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６がともに乾燥状態）。そして、発電停止時には、（ｉｉ）の状態（最適水分残留条件・最適停止条件）で停止されていることが好ましい。

この実施形態において、上記（ｉｉ）の最適水分残留条件は、第１に、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、空気の供給圧力値Ｐｉｎと排出圧力値Ｐｏｕｔとの圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）が所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかで判定している（α≦ΔＰ）。第２に、電解質膜２０ｂの湿潤状態を判定するために、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔ以下の値であるかどうかで判定している（Ｒｍ≦Ｒｔ）。

図４は、発電セル１４の内部残留水分が少ない状態（乾燥状態）から多い状態（加湿状態）に変化した場合の圧力差αと膜抵抗値Ｒｍの変化特性を示している。圧力差αは、発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路４６内の残留水分が多い場合に大きな値となり、少なくなるにしたがい小さな値になる。その一方、膜抵抗値Ｒｍは、電解質膜２０ｂ内の残留水分が少ない場合に大きな値となり、多くなるにしたがい小さな値となる。

図４中に、上述した判定基準である所定圧力値ΔＰと所定膜抵抗値Ｒｔを記載している。したがって、この実施形態において、発電停止時における最適水分残留条件範囲は、所定膜抵抗値Ｒｔと膜抵抗値Ｒｍとの交点から所定圧力値ΔＰと圧力差αとの交点までの範囲になる。

そこで、ステップＳ３に示す発電運転中における電解質膜２０ｂ及び反応ガス流路４６、４８の水分残留状態の最適化処理（反応ガス湿り具合制御工程）では、まず、ステップＳ３ａにおいて、電解質膜２０ｂの残留水分を検知する電解質膜残留水分検知工程を行う。このステップＳ３ａでは、電解質膜２０ｂの残留水分を、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍにより置換して判定している。そのため、このステップＳ３ａでは、図５に示す電流電圧特性図（Ｉ−Ｖ線図という。）を取得し、現時点での膜抵抗値Ｒｍを求める。

図５は、Ｉ−Ｖ線図を示し、このＩ−Ｖ線図は、運転中、所定時間経過毎に、発電電流値Ｉｆとセル電圧値Ｖｃとを測定しプロットすることで取得される。取得したＩ−Ｖ線図のプロット箇所の近似直線を求めることで、その傾きΔＶｃ／ΔＩｆから現時点での膜抵抗値Ｒｍ（Ｒｍ＝ΔＶｃ／ΔＩｆ）を求めることができる。なお、Ｉ−Ｖ線図は、発電セル１４の温度が高いほどセル電圧値Ｖｃが高くなる傾向にある。また、この実施形態において、膜抵抗値Ｒｍを計算する際のセル電圧値Ｖｃは、燃料電池スタック１２を構成する各発電セル１４のセル電圧値Ｖｃの平均値としている。

次いで、ステップＳ３ｂにおいて、求めた膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔ以下の値であるかどうかを判定する（Ｒｍ≦Ｒｔ）。

所定膜抵抗値Ｒｔ以下の値であった場合には、電解質膜２０ｂは湿潤状態にあるものと推定として、次のステップＳ３ｃの反応ガス流路残留水分検知工程を行う。

この実施形態では、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、空気供給口７８ａの供給圧力値Ｐｉｎと、空気排出口７８ｂの排出圧力値Ｐｏｕｔを、圧力センサ１０４、１０７を通じてそれぞれ測定し、圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を計算し、計算した圧力差αが所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかを判定する（α≦ΔＰ）。

圧力差αが所定圧力値ΔＰ以下の値である場合には、酸化剤ガス流路４６には水分が残留していないとみなせるので、このステップＳ３ｃの判定が成立したときに、電解質膜２０ｂは最適水分残留状態にあると判定する。

その一方、圧力差αが、所定圧力値ΔＰを超える値であった場合には（最適水分残留条件が成立していない場合には）、酸化剤ガス流路４６に過剰の水分が残留しているとみなし電解質膜２０ｂが過湿潤、いわゆる濡れすぎの状態にあるとしてステップＳ３ｄの反応ガス流路の乾燥ガスによる掃気処理（反応ガス湿り具合制御工程）を行う。

この乾燥ガスによる掃気処理では、切替バルブ１０５を制御し、空気の流路を加湿器１０３側流路から直接供給流路側に切り替えることで、コンプレッサ１０２から供給される空気（乾燥ガス）が空気供給流路９８を通じて空気供給口７８ａに供給される。この酸化剤ガスとしての乾燥空気は、空気供給口７８ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に沿って移動し酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して空気排出口７８ｂから排出され、さらに空気排出流路１００を通じ圧力調整バルブ１０８を通じて車外の外気に排出される。

このとき、酸化剤ガス流路４６の残留水分が乾燥ガスにより空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出される（パージされる）とともに、酸化剤ガス流路４６が乾燥される、すなわち乾燥掃気（乾燥パージ）が行われる。

その一方、この乾燥ガスによる掃気処理では、乾燥した酸化剤ガスの供給と同時に、水素排出口７６ｂ、水素排出流路８３を通じてエゼクタ９０に供給された循環水素及び水素タンク８６からレギュレータ８８を通じて供給された水素が、エゼクタ９０から水素供給流路８２を通じて水素供給口７６ａから乾燥している燃料ガスとして燃料電池スタック１２に供給される。

このようにステップＳ３ｄの反応ガス流路乾燥ガス掃気処理では、乾燥した酸化剤ガスと乾燥した燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給することで、電解質膜２０ｂが乾燥方向に向かい、かつ反応ガス流路４６、４８内の残留水分が除去される。

なお、ステップＳ３ｂにおいて、膜抵抗値Ｒｍが所定膜抵抗値Ｒｔより高い値であると判定された場合、例えば通常運転を開始したが直ぐに運転を停止した場合等には、ステップ３ｅに示す電解質膜２０ｂの加湿処理（反応ガス湿り具合制御工程）が行われる。

この電解質膜２０ｂへの加湿処理では、コンプレッサ１０２から吐出される乾燥空気が切替バルブ１０５を介し加湿器１０３を通じて空気供給口７８ａから燃料電池スタック１２内に供給される。これと同時に、水素タンク８６からエゼクタ９０を通じて供給される燃料ガスが水素供給口７６ａから燃料電池スタック１２内に供給される。

加湿ガスが各発電セル１４に供給されることで発電が促進され、電解質膜２０ｂが乾燥状態から湿潤状態に向かう。

ステップＳ３ｅ、Ｓ３ｃ、Ｓ３ｄの処理後、ユーザが運転を停止するために起動スイッチ１３８を操作したかどうかが、ステップＳ４において判定される。すなわち、起動スイッチ１３８からハイレベルからローレベルに遷移する発電停止信号（Ｉｇ＝０）が制御部６０に供給されているかどうかが判定される。

なお、起動スイッチ１３８がオフ状態にされるまでの間、ステップＳ２の通常発電運転、及びステップＳ３の通常発電運転中の残留水分最適化処理（反応ガス湿り具合制御工程）が繰り返し実行される。

このように、上述したステップＳ３の処理では、燃料電池スタック１２の発電運転の継続中に、電解質膜２０ｂと酸化剤ガス流路４６中の両方の残留水分を検知して反応ガスの湿り具合を制御しているので、燃料電池スタック１２の運転継続中の電解質膜２０ｂ（電解質膜・電極構造体２０）の残留水分を最適に制御することができる。すなわち、発電運転中に発電セル１４中の水分を最適に制御することができ、その結果、以下に説明する発電停止時における掃気時間を軽減あるいは不要にすることができる。

以上の通常発電運転処理及び通常発電時残留水分最適処理が継続されているときに（ステップＳ２→Ｓ３→Ｓ４「否定」→Ｓ２…）、ユーザが運転を停止するために起動スイッチ１３８を操作し起動スイッチ１３８からの発電停止信号（Ｉｇ＝０）が制御部６０により検知されると、この発電停止信号検知工程を契機として以下に示す発電停止時処理が行われる。以下、ステップＳ５以降の発電停止時処理例について、図６の波形図をも参照して説明する。

図６の（ａ）に示すように、時点ｔ０において、ハイレベル１からローレベル０に遷移する発電停止信号（Ｉｇ＝０）が、制御部６０により検知されると（ステップＳ４「肯定」）、発電停止時処理が実行開始される。このとき、図６の（ｂ）に示すように、直ちに、水素タンク８６に取り付けられている水素供給バルブ（不図示）が閉じられて、水素タンク８６から燃料ガスである水素ガスの新たな供給が停止される、ステップＳ５の燃料ガス供給停止工程が行われる。

次に、ステップＳ６の発電停止時における最適水分残留条件判定工程が実行され、ステップＳ６中、まず、ステップＳ６ａにおいて、念のため、酸化剤ガス流路４６内に水分が残留しているかどうかを判定するために、上述したように、空気供給口７８ａの供給圧力値Ｐｉｎと、空気排出口７８ｂの排出圧力値Ｐｏｕｔの圧力差（圧力損失）α（α＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）αを測定し、この圧力差αが所定圧力値（閾値）ΔＰ以下の値になっているかどうかを判定する（α≦ΔＰ）。

もし、図６の（ｃ）に示すように、時点ｔ０で発電停止信号（Ｉｇ＝０）が入力されたときの圧力差αが、所定圧力値ΔＰを超える値であった場合には（最適水分残留条件が成立していない場合には）、酸化剤ガス流路４６に水分が残留しているとみなして、ステップＳ７の酸化剤ガス流路４６の残留水分のパージ処理を行う。

このステップＳ７のパージ処理では、パージ時間を最小の時間とするため、切替バルブ１０５により空気の流路を加湿器１０３側流路から直接供給流路側に切り替えるとともに、圧力調整バルブ１０８を開放し、コンプレッサ１０２の回転数を最大にする。これにより、図６の（ｄ）に示すように、コンプレッサ１０２から供給される乾燥された最大ガス流量の空気（乾燥ガス）が空気供給流路９８を通じて空気供給口７８ａに供給される。この乾燥空気は、空気供給口７８ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａを通じ、各発電セル１４の酸化剤ガス流路４６に沿って移動し酸化剤ガス排出連通孔３０ｂを介して空気排出口７８ｂから排出され、さらに空気排出流路１００を通じ圧力調整バルブ１０８を通じて車外の外気に排出される。このとき、酸化剤ガス流路４６の残留水分が乾燥ガスにより空気排出口７８ｂから空気排出流路１００に排出されるとともに、酸化剤ガス流路４６が乾燥する。

なお、酸化剤ガス流路４６に乾燥ガスが供給されているとき、燃料ガス流路４８には、水素ガスが残留しているので、各発電セル１４では、所定の発電が継続されている。

乾燥ガスの供給中、例えば図６の（ｃ）に示すように、時点ｔ２において、圧力差αが所定圧力値ΔＰ以下の値になり、この時点ｔ２で酸化剤ガス流路４６に関する最適水分残留条件が成立する。

なお、図６の（ｅ）に示す、水素ガスの圧力は、水素供給口７６ａで圧力センサ９２により検出した圧力であり、時点ｔ０で水素タンク８６からの水素ガスの供給が停止されているので、水素ガスの圧力は、その時点ｔ０から徐々に低下し、時点ｔ１における所定圧力値で安定するように設計されている。なお、この所定圧力値は大気圧より高い圧力に設定されている。また、時点ｔ０以降、パージバルブ９４が閉じられるので、水素ガス流路４８内のガス圧力値が大気圧より高い圧力となった状態が保持される。このようにして、ステップＳ７の酸化剤ガス流路４６中の残留水分のパージが遂行される。

一方、ステップＳ６ａ及びステップＳ７の処理とほぼ同時に、つまり並列的にステップＳ６ｂの電解質膜残留水分判定処理が行われる。

このステップＳ６ｂでは、電解質膜２０ｂに水分が残留しているかどうかを判定するために、電解質膜２０ｂの膜抵抗値Ｒｍを測定する。この膜抵抗値Ｒｍは、負荷制御器７０内部で負荷の値、たとえば抵抗値を間欠的に（パルス的）に小さくすることで（負荷を大きくすることで）、図６の（ｆ）に示すように、発電電流値Ｉｆをパルス的に増減させる。

このとき、発電電流値Ｉｆの変動電流値ΔＩｆを計算し、さらに、図６の（ｇ）に示すように、セル電圧Ｖｃの対応する変動電圧値ΔＶｃを計算して、膜抵抗値ＲｍをＲｍ＝ΔＶｃ／ΔＩｆとして求める。

そして、求めた膜抵抗値Ｒｍが、閾値である所定膜抵抗値（閾値）Ｒｔ以下の値であるかどうかを判定する（Ｒｍ≦Ｒｔ）。なお、膜抵抗値Ｒｍは、負荷を正弦的に変化させることで交流インピーダンスとしても求めることができる。

このようにして測定した膜抵抗値Ｒｍが、所定膜抵抗値Ｒｔを超える値である場合、例えば通常運転を開始したが直ぐに運転を停止した場合等には、ステップＳ８に示す電解質膜２０ｂへの水分残留処理（水分付加処理、加湿工程）を行う。実際上、この電解質膜２０ｂへの水分残留処理では、酸化剤ガス流路４６に加湿ガス（酸化剤ガス）を供給したままの状態で発電運転を継続する。

次に、ステップＳ６ｃにおいて、ステップＳ６ａのガス流路残留水分判定が成立していて、かつステップＳ６ｂの電解質膜残留水分判定が成立していたかどうかが判定され、電解質膜２０ｂに水分が残留していて、かつ酸化剤ガス流路４６に水分が残留していない最適水分残留条件が成立するまで、ステップＳ６ａ、Ｓ７、Ｓ６ｂ、Ｓ８、Ｓ６ｃの処理を繰り返し、最適水分残留条件が成立したときステップＳ９の発電停止処理を行う。

実際上、ステップＳ６ａのガス流路残留水分判定処理が成立しているとき、制御部６０において、ガス残留水分判定成立フラグＦｇがセットされ、また、ステップＳ６ｂの電解質膜残留水分判定処理が成立しているとき、電解質膜水分判定成立フラグＦｍがセットされるので、ステップＳ６ｃの判定は、これら両方の成立フラグＦｇ、Ｆｍが共にセットされているかどうかで肯定の判定がなされる。

次に、ステップＳ９の発電停止処理では、例えばステップＳ７の酸化剤ガス流路４６のパージ処理が行われたときには、図６の（ｃ）の時点ｔ３に示すように、圧力差αが所定圧力値ΔＰ以下となった時点ｔ２から所定時間Ｔ２３の経過後に、コンプレッサ１０２の停止等、全ての補機の動作を停止させる。したがって、時点ｔ３以降において、圧力差αはゼロ値となる。なお、時点ｔ３以降、制御部６０は、成立フラグＦｇ、Ｆｍをリセットしていわゆるスリープ状態になる。

ここで、所定時間Ｔ２３は、空気出口温度Ｔａ、環境温度等をパラメータとし、発電電流Ｉｆ等の履歴に対し、発電停止信号（Ｉｇ＝０）を受けたときの圧力差α及び膜抵抗値Ｒｍ等を予め実験確認等により適正な値を求めておくことができる。

このように上述した実施形態によれば、発電継続中、及び発電停止時に、電解質膜２０ｂ及び酸化剤ガス流路４６内部の残留水分を監視し、最適な水分状態になるように、ガスの供給時間、湿度を制御し、最適水分判定条件が成立した最適状態で発電の継続あるいは発電停止が行われるようにしている。

発電運転中における燃料電池の水分を最適に制御できるので、燃料電池の停止時における時点ｔ０〜時点ｔ３までの掃気時間を軽減あるいは不要にすることができる。

また、発電停止時点ｔ３以降の再起動時の始動性を向上でき、水の凍結温度以下の環境下においても迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に直ちに移行することができる。

実際に、再起動時の始動性に関し、最適水分残留条件が成立した場合、最適水分残留条件が非成立で酸化剤ガス流路４６の残留水分が多い場合、及び最適水分残留条件が非成立で電解質膜２０ｂが乾燥状態にある場合のそれぞれの場合についての実験例を図７及び図８に示す。

図７の特性２０１から分かるように、停止時に最適水分残留条件が成立していて再起動した場合には、各発電セル１４の電圧が安定し発電電流値Ｉｆは、直ちに所望の電流値に達するが、停止時に残留水分が多い場合には、特性２０２に示すように、再起動した場合、各発電セル１４の電圧が安定せず発電電流Ｉｆの上昇が緩やかで、時点ｔａで発電が停止してしまっていることが分かる。発電が停止してしまった状態において、酸化剤ガス流路４６内は、ほとんど水で満たされた状態になっている。また、特性２０３に示すように、停止時に乾燥状態であった場合には、再起動時には、発電電流Ｉｆがなかなか上昇せず、所望の電流値に達するまでの時間がきわめて長い時間となってしまう。

また、図８から分かるように、氷点下以下の温度で再起動した場合において、冷却媒体流路５０に冷却媒体を流し、エンドプレート１８ｂ側の冷却媒体排出口側において温度センサにより検出した冷却媒体の出口温度Ｔｗは、特性２１１から分かるように、最適水分残留条件が成立していて再起動した場合には、比較的に短い時間で所定温度に到達する、すなわち低温起動時間が短縮されるが、停止時に残留水分が多い場合及び停止時に乾燥状態の場合、及び再起動時には、それぞれ特性２１２、２１３に示すように、冷却媒体の温度がなかなか上昇しないということが分かる。

この発明の実施形態が適用された燃料電池システムのブロック図である。 発電セル内の酸化ガス、冷却媒体及び燃料ガスの流れ方の説明図である。 図１例の燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。 最適水分残留条件成立範囲の説明図である。 燃料電池の発電電流と電圧との関係を示すＩ−Ｖ線図である。 停止時における反応ガス流路のガスパージ処理の説明用波形図である。 停止後、再起動時における残留水分の違いに基づく発電電流特性の違いの実験例を示す特性図である。 停止後、再起動時における残留水分の違いに基づく冷却媒体の温度上昇特性の違いの実験例を示す特性図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…発電セル ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…アノード電極 ２０ｂ…固体高分子電解質膜（電解質膜）
２０ｃ…カソード電極 ２２、２４…セパレータ
４６…酸化剤ガス流路 ４８…水素ガス流路
６０…制御部

Claims (6)

1. 電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に反応ガス流路を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の発電運転制御方法において、
   前記発電運転の継続中に、
   前記電解質膜の残留水分を検知する電解質膜残留水分検知工程と、
   前記反応ガス流路中の残留水分を検知する反応ガス流路残留水分検知工程と、
   検知した電解質膜残留水分及び検知した反応ガス流路残留水分に応じて、前記反応ガスの湿り具合を制御する反応ガス湿り具合制御工程と
   を備えることを特徴とする燃料電池の発電運転制御方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の発電運転制御方法において、
   前記電解質膜残留水分検知工程での前記電解質膜残留水分は、前記電解質膜の膜抵抗値に基づいて求める
   ことを特徴とする燃料電池の発電運転制御方法。
3. 請求項１記載の燃料電池の発電運転制御方法において、
   前記反応ガス流路残留水分検知工程での前記反応ガス流路中の残留水分は、前記反応ガス流路の供給口と吐出口との間の圧力差に基づいて求める
   ことを特徴とする燃料電池の発電運転制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の発電運転制御方法において、
   前記反応ガス湿り具合制御工程の後に、さらに、
   発電停止信号の入力に基づき発電停止時処理を行い発電を停止する発電停止時処理工程を設け、
   前記発電停止時処理は、
   前記発電停止信号の入力を検知する発電停止信号検知工程と、
   前記発電停止信号の入力を検知したとき、前記電解質膜に水分が残留していて、かつ前記反応ガス流路に水分が残留していない最適水分残留条件が成立しているかどうかを判定する最適水分残留条件判定工程と、
   前記最適水分残留条件が成立していると判定したとき発電を停止する発電停止工程と
   を備えることを特徴とする燃料電池の発電運転制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の発電運転制御方法において、
   前記燃料電池は、前記電解質膜を挟んで保持する前記アノード電極と前記カソード電極とを設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体がセパレータにより挟んで保持され、かつ前記セパレータの前記電解質膜・電極構造体に対面する部分に前記反応ガス流路が設けられた発電セルを複数積層したスタック構造にされている
   ことを特徴とする燃料電池の発電運転制御方法。
6. 電解質膜を挟んで保持するアノード電極とカソード電極の両側に反応ガス流路を設け、前記反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電運転を行う燃料電池の発電運転制御装置において、
   発電運転の継続中に前記電解質膜の残留水分を検知する電解質膜残留水分検知手段と、
   発電運転の継続中に前記反応ガス流路中の残留水分を検知する反応ガス流路残留水分検知手段と、
   発電運転の継続中に、検知した電解質膜残留水分及び検知した反応ガス流路残留水分に応じて、前記反応ガスの湿り具合を制御する反応ガス湿り具合制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池の発電運転制御装置。

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