JP5279005B2

JP5279005B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5279005B2
Application number: JP2008159954A
Authority: JP
Inventors: 敏也土生; 隆士山本; 信也坂口; 木川　　俊二郎; 博道佐藤; 宏藤谷; 修弓田; 佳史大田; 誠治佐野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-06-19
Also published as: JP2010003480A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。

従来、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムでは、燃料電池の運転状態が、燃料電池を構成する複数のセル内の電解質膜が過剰に乾燥したドライアップ状態、セル内の燃料ガス流路や酸化ガス流路に水滴が溜まるフラディング状態、燃料ガス不足状態、酸化ガス不足状態等になると、燃料電池の出力電圧の低下が発生するといった問題がある。

そこで、燃料電池の運転状態を詳しく知るために、燃料電池を構成する複数のセルの出力電圧Ｖ、およびインピーダンスＺを検出し、その検出値に基づいて燃料電池の運転状態を判定するものが提案されている（特許文献１参照）。

ここで、特許文献１では、所定の判定所要時間内に取得した単電池の出力電圧及びインピーダンスＺを検出し、検出したインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがあるときには、燃料電池の運転状態がドライアップ状態であると判定している。一方、検出したインピーダンスＺのうち閾値Ｚｔｈｒを超えるものがないときには、検出した出力電圧に基づいて、フラッディング状態等の他の異常な運転状態となっているか否かの判定を行なっている。
特開２００４−２４１２３６号公報

ところで、燃料電池のセル面内のインピーダンスは不均一であり、局所的にドライアップ状態となった場合には、セル面内全体から見てインピーダンスの変化量が小さい。そのため、特許文献１のように、燃料電池のインピーダンスを検出して燃料電池の運転状態を判定するシステムでは、セル面内の広域でドライアップ状態となるまでの間、インピーダンスにより燃料電池の運転状態がドライアップ状態と判定することが困難であった。燃料電池は、セル面内の広域でドライアップ状態となると、急速に燃料電池の出力性能が低下するため、セル面内の広域でドライアップ状態となってから燃料電池の状態を判定できたとしても、燃料電池の出力性能が著しく低下してしまうといった問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の状態がドライアップ状態であるか否かを早期に判定可能な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、請求項１に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、セパレータ（１０４）におけるアノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、セパレータ（１０４）におけるカソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、燃料ガス流路（１０５）内の露点温度を検出する露点温度検出手段（１６）と、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、露点温度検出手段（１６）は、燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入する部位（１０６ａ）に対応する導入対応部位近傍に配置され、運転状態判定手段（４０）は、露点温度検出手段（１６）で今回検出された露点温度の露点温度検出手段（１６）で前回検出された露点温度に対する減少割合（ΔＤ１）を算出し、算出した減少割合（ΔＤ１）が予め設定された第１所定値を上回る場合に、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態と判定することを特徴としている。

このように、燃料ガス流路（１０５）におけるドライアップ状態となりやすい部位、すなわち燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路（１０６）に酸化剤ガスを導入するに対応する導入対応部位近傍に配置された露点温度検出手段（１６）により、燃料電池（１０）内の露点温度を検出することで、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

ここで、燃料電池（１０）のセル面内のインピーダンスを検出するシステムでは、インピーダンス検出装置が、インピーダンス計測部、インピーダンス演算部、ノイズ除去部等の多くの構成が必要であり複雑化していた。本願発明では、露点温度検出手段（１６）により燃料電池（１０）内の湿潤状態と直接的な関係がある露点温度を検出しており、従来のインピーダンスを検出するシステムのような複雑な構成が不要であり、簡素な構成で燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定することができる。

また、請求項２に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、セパレータ（１０４）におけるアノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、セパレータ（１０４）におけるカソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、燃料ガス流路（１０５）内の露点温度を検出する露点温度検出手段（１６ａ、１６ｂ）と、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、露点温度検出手段（１６ａ、１６ｂ）は、燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路（１０６）に酸化剤ガスを導入する部位（１０６ａ）に対応する導入対応部位近傍、および燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路（１０６）から酸化剤ガスを導出する部位（１０６ｂ）に対応する導出対応部位近傍のそれぞれに配置され、運転状態判定手段（４０）は、導入対応部位近傍に配置された露点温度検出手段（１６ｂ）で検出された露点温度が、導出対応部位近傍に配置された露点温度検出手段（１６ａ）で検出された露点温度に対して、予め設定された第２所定値を超えて低下した場合に、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態と判定することを特徴としている。

このように、燃料ガス流路（１０５）におけるドライアップ状態となりやすい部位である導入対応部位近傍、および燃料ガス流路（１０５）におけるドライアップ状態となりにくい部位である導出対応部位近傍のそれぞれに配置した露点温度検出手段（１６ａ、１６ｂ）により、燃料電池（１０）内の湿潤状態と直接的な関係がある露点温度をそれぞれ検出することで、従来のインピーダンスを検出するシステムに比べ、簡素な構成で燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

また、請求項３に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、セパレータ（１０４）におけるアノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、セパレータ（１０４）におけるカソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、燃料ガス流路（１０５）内の相対湿度を検出する湿度検出手段と、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、湿度検出手段は、燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路（１０６）に酸化剤ガスを導入する部位（１０５ａ）に対応する導入対応部位近傍に配置され、運転状態判定手段（４０）は、湿度検出手段で今回検出された相対湿度の湿度検出手段で前回検出された相対湿度に対する減少割合を算出し、算出した減少割合が予め設定された第３所定値を上回る場合に、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態と判定することを特徴としている。

このように、燃料ガス流路（１０）におけるドライアップ状態となりやすい部位である導入対応部位近傍に配置した湿度検出手段により、燃料電池（１０）内の湿潤状態と直接的な関係がある相対湿度を検出することで、従来のインピーダンスを検出するシステムに比べ、簡素な構成で燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

また、請求項４に記載の発明では、固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、セパレータ（１０４）におけるアノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、セパレータ（１０４）におけるカソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、燃料ガス流路（１０５）内の相対湿度を検出する湿度検出手段と、燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、湿度検出手段は、燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路（１０５）に酸化剤ガスを導入する部位（１０６ａ）に対応する導入対応部位近傍、および燃料ガス流路（１０５）における酸化剤ガス流路（１０６）から酸化剤ガスを導出する部位（１０６ｂ）に対応する導出対応部位近傍のそれぞれに配置され、運転状態判定手段（４０）は、導入対応部位近傍に配置された湿度検出手段で検出された相対湿度が、導出対応部位近傍に配置された湿度検出手段で検出された相対湿度に対して、予め設定された第４所定値を超えて低下した場合に、燃料電池の運転状態がドライアップ状態と判定することを特徴としている。

このように、燃料ガス流路（１０５）におけるドライアップ状態となりやすい部位である導入対応部位近傍、および燃料ガス流路（１０５）におけるドライアップ状態となりにくい部位である導出対応部位近傍にそれぞれ配置された湿度検出手段により、燃料電池（１０）内の湿潤状態と直接的な関係がある相対湿度をそれぞれ検出することで、従来のインピーダンスを検出するシステムに比べ、簡素な構成で燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。ここで、図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。セル１００の構成については後述する。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。

（水素極：アノード）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極：カソード）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
この燃料電池１０は、電力機器（図示せず）や２次電池１１等に電力を供給するように構成されている。電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電力機器に相当する。燃料電池１０と二次電池１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２を介して電気的に接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、燃料電池１０から二次電池１１あるいは二次電池１１から燃料電池１０への電力の流れをコントロールするもので、燃料電池１０で発生した電力を二次電池１１に充電することができ、二次電池１１に蓄えられた電力を燃料電池１０や電気機器に供給することができる装置である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１２には、負荷調整装置１３が電気的に接続されている。負荷調整装置１３は、燃料電池１０に要求される出力電圧を調整して負荷の調整等を行なう装置である。

また、燃料電池システムには、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１４と、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１５が設けられている。電流センサ１４で検出した電流信号と電圧センサ１５で検出した電圧信号は、後述する制御部４０に入力されるようになっている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（カソード）側に空気を供給するための空気経路２０と、燃料電池１０の水素極（アノード）側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。

空気経路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気供給装置２１が設けられている。空気供給装置２１としては、例えば空気圧縮機を用いることができる。空気供給装置２１は、圧縮機モータ（図示せず）と機械的に接続されている。

空気経路２０における空気供給装置２１と燃料電池１０との間には、シャット弁２２が設けられている。そして、空気経路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

水素経路３０の最上流部には、水素供給装置３１が設けられている。本実施形態では、水素供給装置３１として、水素が充填された高圧水素タンクを用いている。水素供給装置３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０への水素供給量を調整する水素供給量調整弁３２が設けられており、水素供給調整弁３２は、後述の制御部４０により制御される。

そして、水素経路３０における燃料電池１０の下流側は、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３３が設けられている。

図２は、本実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の構成を示す模式図である。図２に示すように、セル１００は、電解質膜１０１、触媒層１０２、および拡散層１０３で構成される膜電極接合体と、セパレータ１０４を備えている。

電解質膜１０１の両外側に触媒層１０２が配置され、各触媒層１０２の外側に拡散層１０３が配置され、各拡散層１０３の外側には、セパレータ１０４が配置されている。

ここで、図２における右側の触媒層１０２ａおよび拡散層１０３ａが、水素極（アノード）を構成している。また、図２における左側の触媒層１０２ｂおよび拡散層１０３ｂが、空気極（カソード）を構成している。触媒層１０２は、カーボン担体に電気化学反応を促進する触媒（白金等）を担持させたカーボン担持白金触媒（図示せず）等で構成され、拡散層１０３は、導電体でかつ撥水性能を有するカーボンクロス等で構成されている。

各セパレータ１０４は、ガスが透過しない導電性部材（例えば、カーボン材）で構成され、隣接する単セル１００間で水素と空気の流れを分離している。なお、セパレータ１４は、隣り合うセル１００で共有されていてもよく、セル１００毎に各セパレータ１０４を有している構成であってもよい。

ここで、説明の都合上、図２におけるアノードと対向するセパレータ１０４を水素極側セパレータ１０４ａと呼び、カソードと対向するセパレータ１０４を空気極側セパレータ１０４ｂと呼ぶ。

水素極側セパレータ１０４ａとアノードとの間には、多孔質体からなる水素流路１０５が設けられ、水素流路１０５内の水素がアノードに供給されるようになっている。なお、水素流路１０５が、本発明の燃料ガス流路に相当している。

また、空気極側セパレータ１０４ｂにおけるカソードとの間には、多孔質体からなる空気流路１０６が設けられ、空気流路１０６を介して空気がカソードに供給されるようになっている。なお、空気流路１０６が、本発明の酸化剤ガス流路に相当している。

具体的には、本実施形態は、水素流路１０５の上流側の水素導入部１０５ａから水素が導入され、水素流路１０５の下流側の水素導出部１０５ｂから水素が導出されるようになっている。また、空気流路１０６の上流側の空気導入部１０６ａから空気が導入され、空気流路１０６の下流側の空気導出部１０６ｂから空気が導出されるようになっている。

ここで、本実施形態のセル１００は、水素流路１０５内の水素流れ方向と空気流路１０６内の空気流れ方向が互い対向する方向となるカウンタフロー型のガス流れとしている。

そのため、本実施形態では、水素導入部１０５ａが、水素流路１０５における、空気流路１０６の空気導出部１０６ｂと膜電極接合体を介して対応する導出対応部位に相当している。また、水素導出部１０５ｂが、水素流路１０５における、空気流路１０６の空気導入部１０６ａと膜電極接合体を介して対応する導入対応部位に相当している。

また、水素極側セパレータ１０４ａには、水素流路１０５内の湿潤状態と直接的な関係がある露点温度を検出するための露点検出器１６が配置されている。露点検出器１６の構成としては、例えば、簡易な構成の高分子膜露点計、鏡面冷却式露点計、水晶振動子露点計、塩化リチウム露点計等の露点計を採用することができる。なお、露点検出器が本発明の露点温度検出手段に相当している。

ところで、本発明者らが、燃料電池１０のセル１００面内にドライアップ状態を発生させ、水素流路１０５内の露点温度を検出する実験を行なった。この実験では、燃料電池１０の運転状態をドライアップ状態とするために、通常状態に比べて、水素および空気を加湿する加湿装置（図示せず）による加湿量を減らすとともに、燃料電池１０内部を冷却する冷却装置（図示せず）による冷却を抑えて燃料電池１０の温度を上げた状態で露点温度等を検出した。

上述の実験によって、燃料電池１０の発電状態がドライアップ状態となり始める初期段階において、水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａと対応する導入対応部位（本実施形態では水素導出部１０５ｂ）近傍で局所的なドライアップが発生しやすいことが分かった。

以下、この点について、図３〜図５に基づいて説明する。図３は、ドライアップ状態の初期段階における水素導入部１０５ａと水素導出部１０５ｂとの間の露点温度の変化を示している。また、図４は、図３と同様に、水素導入部１０５ａと水素導出部１０５ｂとの間の電流密度の変化を示している。

ここで、図３、図４中の実線は、燃料電池１０の発電状態を強制的にドライアップ状態とした場合の変化を示し、破線は燃料電池１０の発電状態が通常状態である場合の変化を示している。

また、図５は、水素導入部１０５ａと水素導出部１０５ｂ近傍における露点温度、および燃料電池のセル電圧の時間変化を示している。図５中の実線は、燃料電池のセル電圧の時間変化を示し、一点鎖線が水素導出部１０５ｂ近傍の露点温度の時間変化を示し、二点鎖線が水素導入部１０５ａ近傍の露点温度の時間変化を示している。

まず、図３、図４に示すように、燃料電池１０の発電状態がドライアップ状態である場合と、燃料電池１０の発電状態が通常状態である場合とを比較すると、水素流路１０５内の水素導出部１０５ｂ近傍において、露点温度および電流密度が局所的に低下していることが分かる。

また、図５に示すように、水素流路１０５における水素導出部１０５ｂの露点温度の時間変化（一点鎖線）と、水素流路１０５における水素導入部１０５ａの露点温度の時間変化（二点鎖線）とを比較すると、水素導出部１０５ｂの露点温度が水素導入部１０５ａに比べて時間的に早く減少することが分かる。

これらの現象は、空気導入部１０６ａ近傍では、空気供給装置２１から高い圧力の空気が導入され、水素と空気の電気化学反応により生成された水（生成水）が、空気導入部１０６ａから下流側の空気導出部１０６ｂ側に流れるため、電解質膜１０１を介して空気導入部１０６ａ側から水素流路１０５の導入対応部位に透過する水分が少なくなることが原因の１つと考えられる。また、水素流路１０５内の水分が、水素と空気の電気化学反応により、空気流路１０６側に随伴して流れることも原因の１つと考えられる。

このように、水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａに対応する導入対応部位近傍では、水分量が少ない状態となりやすいため、その部位での発電が行なわれなくなり、燃料電池１０の電流密度が低下している。

一方、空気導出部１０６ｂ近傍では、露点温度および電流密度の変化が小さいが、これは空気導入部１０６ａ近傍で生成された水が、空気導入部１０６ａから流れ、さらに生成水等が膜電極接合体を介して水素流路１０５側に透過するためと考えられる。

また、燃料電池１０のセル電圧については、導入対応部位（本実施形態の水素導出部１０５ｂ）近傍におけるセル１００の出力電圧低下を導出対応部位（本実施形態の水素導入部１０５ａ）近傍におけるセル１００の出力電圧で補っているため、導出対応部位近傍におけるセル１００の露点温度の低下とともに、セル電圧が減少する傾向となっている。

このように、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態となり始める初期段階においては、導入対応部位近傍でドライアップ状態となりやすく、導出対応部位でドライアップ状態となり難いことが分かる。

そのため、導入対応部位における露点温度を検出することで、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態となり始める初期段階を把握することが可能となる。つまり、導入対応部位における露点温度を検出することで、早期に燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを判定することが可能となる。

このような実験結果を踏まえて、本実施形態では、セル１００内におけるドライアップ状態となりやすい部位、すなわち水素流路１０５における導入対応部位、すなわち水素導出部１０５ｂ近傍に露点検出器１６を配置し、水素導出部１０５ｂ近傍の露点温度を検出している。

ここで、具体的に露点検出器１６は、水素極側セパレータ１０４ａのアノードと対向する面に固定されている。なお、露点検出器１６は、水素極側セパレータ１０４ａに固定するものに限らず、アノード側の拡散層１０３ａ等に固定する構成であってもよい。また、露点検出器１６は、燃料電池１０の全てのセル１００に設ける構成としてもよいし、燃料電池１０の一部のセル１００に設ける構成としてもよい。

図１に戻り、制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、電流センサ１４からの電流信号、電圧センサ１５からの電圧信号、露点検出器１６からの露点温度等が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、二次電池１１、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２、負荷調整装置１３、空気供給装置２１、空気調圧弁２３、水素供給装置３１、水素供給調整弁３２等に制御信号を出力する。

次に、本実施形態の燃料電池システムの燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを判定するドライアップ判定制御について説明する。図６は、本実施形態のドライアップ判定制御の流れを示すフローチャートである。なお、ドライアップ判定制御は、制御部４０のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムに従って行われる。

図６に示すように、まず、露点検出器１６で露点温度を検出する（ステップＳ１０）。そして、今回検出した露点温度の前回の検出した露点温度に対する減少割合ΔＤｐを算出する（ステップＳ２０）。

次に、算出した減少割合ΔＤｐが、第１所定値を上回っているか否かを判定する（ステップＳ３０）。ここで、第１所定値は、実験等により予め算出され、制御部４０のＲＯＭ等に記憶されている。

この判定で、減少割合ΔＤｐが所定値を上回っていないと判定された場合（ステップＳ３０：Ｎｏ）、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態でないとして、ステップＳ１０に戻り、再度露点温度を検出する。なお、前回の検出値が記憶されていない初回等にも、減少割合ΔＤｐが所定値を上回っていないと判定する。

一方、減少割合ΔＤｐが所定値を上回っている場合（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）には、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態であるとして、ドライアップ対策処理（ステップＳ４０）を行なう。

本実施形態のドラアップ対策処理では、負荷調整装置１３により、燃料電池１０に対する負荷要求を低下させる処理を行なう。例えば、燃料電池１０の要求電圧を低下させることで、ドライアップ状態を回避する。なお、上記ステップＳ３０における処理が、本発明の運転状態判定手段に相当するものである。

以上、説明したように、上記構成によれば、水素流路１０５におけるドライアップ状態となりやすい部位である水素導出部１０５ｂ近傍に配置された露点検出器１６により、燃料電池１０内の露点温度を検出することで、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。また、従来のインピーダンスを検出するシステムに比べ、露点検出器１６といった簡素な構成により燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを判定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７、図８に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、図７は、本実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の構成を示す模式図である。

本実施形態では、水素流路１０５を流れる水素の流れ方向と空気流路１０６を流れる空気の流れ方向とが互いに順方向となっているコフロー型のガス流れのセル１００を用いる場合の例について説明する。

図７に示すように、コフロー型のガス流れのセル１００では、水素導入部１０５ａが、水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａと膜電極接合体を介して対応する導入対応部位となっている。一方、水素導出部１０５ｂが、水素流路１０５における、空気流路１０６の空気導出部１０６ｂと膜電極接合体を介して対応する導出対応部位となっている。

第１実施形態で説明したように、水素流路１０５におけるドライアップ状態となりやすい部位は、水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａと対応する導入対応部近傍であるため、本実施形態では、露点検出器１６を水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａに対応する水素導入部１０５ａ近傍に配置している。

このように、本実施形態の構成では、水素導入部１０５ａ近傍に露点検出器１６を配置し、水素導入部１０５ａ近傍の露点温度を検出している。これにより、水素導入部１０５ａ近傍の露点温度を減少割合Ｄｐに基づいて燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かの判定を行なうことができ、第１実施形態の構成と同様な効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８、図９に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。ここで、図８は、本実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の構成を示す模式図であり、図９は、本実施形態のドライアップ判定制御の流れを示すフローチャートである。

第１実施形態で説明したように、水素流路１０５における水素導出部１０５ｂ近傍では、ドライアップ状態の初期段階で露点温度が低下していた。一方、水素流路１０５における水素導入部１０５ａ近傍では、ドライアップ状態となり始める初期段階で露点温度の変化がほとんど見られなかった。つまり、ドライアップ状態となり始める初期段階において、水素導出部１０５ｂと水素導入部１０５ａにおける露点温度の差が顕著に異なっている。

そこで、本実施形態では、水素流路１０５における水素導入部１０５ａと水素導出部１０５ｂ近傍のそれぞれに露点検出器１６ａ、１６ｂを配置し、それぞれの検出値の差に基づいて燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する例について説明する。

具体的には、図８に示すように、水素流路１０５における水素導入部１０５ａ近傍に第１露点検出器１６ａを配置し、水素流路１０５における水素導出部１０５ｂ近傍に第２露点検出器１６ｂを配置している。

そして、本実施形態のドライアップ判定制御は、図９に示すように、まず、第１露点検出器１６ａで水素導入部１０５ａ近傍の第１露点温度を検出し、第２露点検出器１６ｂで水素導出部１０５ｂ近傍の第２露点温度を検出する（ステップＳ１１）。

次に、第１露点検出器１６ａで検出した第１露点温度から第２露点検出器１６ｂで検出した第２露点温度を減算して差分ΔＤ２を算出する（ステップＳ２１）。そして、差分ΔＤ２が第２所定値を超えたか否かを判定する（ステップＳ３１）。

つまり、水素導出部１０５ｂ側の第２露点温度が、水素導入部１０５ａ側の第１露点温度に対して、第２所定値を超えて低下した場合に、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態と判定する。なお、第２所定値は、予め実験等により算出され、制御部４０のＲＯＭ等に記憶されている。

ここで、差分ΔＤ２が第２所定値を超えた場合に燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態と判定してステップＳ４０に進む（ステップＳ３１：Ｙｅｓ）。ここで、差分ΔＤ２が第２所定値を超えない場合には、ステップＳ１１に戻る（ステップＳ３１：Ｎｏ）。

このように、水素流路１０５におけるドライアップ状態となりやすい水素導出部１０５ｂ近傍に配置した第２露点検出器１６ｂと水素流路１０５におけるドライアップ状態となり難い水素導入部１０５ａ近傍に配置した第１露点検出器１６ａにより、燃料電池１０内の湿潤状態と直接的な関係がある露点温度をそれぞれ検出することで、従来のインピーダンスを検出するシステムに比べ、簡素な構成で燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

ここで、本実施形態では、第１実施形態のセル１００の構成に基づいて説明したが、第１実施形態に限らず、第２実施形態のセル１００の構成にも適用することができる。この場合、まず、第１露点検出器１６ａと第２露点検出器１６ｂとの配置を入れ替える。つまり、第２露点検出器１６ｂを水素流路１０５における水素導入部１０５ａ近傍に配置し、第１露点検出器１６ａを水素流路１０５における水素導入部１０５ａ近傍に配置する。

その上で、ドライアップ判定制御のステップＳ２１において、第１露点検出器１６ａで検出した第１露点温度から第２露点検出器１６ｂで検出した第２露点温度を減算して差分ΔＤ２を算出し、差分ΔＤ２が第２所定値を超えた場合に燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態と判定すればよい。

（第４、第５実施形態）
次に、本発明の第４、第５実施形態について説明する。上記第１〜第３実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。

上記第１〜第３実施形態では、水素流路１０５内の湿潤状態を検出するために、露点温度を検出する露点検出器１６を採用しているが、第４、第５実施形態では、露点温度と同様に、水素流路１０５内の湿潤状態と直接的な関係がある相対湿度を検出する。

つまり、第４、第５実施形態では、露点検出器１６を湿度検出器に置き換え、水素流路１０５内の相対湿度を検出する。湿度検出器の構成としては、例えば、簡易な構成の高分子膜湿度計、半導体湿度計等の湿度計を採用することができる。なお、湿度検出器が、本発明の湿度検出手段に相当している。

まず、第４実施形態では、第１、第２実施形態の露点検出器１６が配置された水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａに対応する導入対応部位に上記湿度検出器を配置する。

そして、湿度検出器で今回検出した相対湿度の前回検出した相対湿度に対する減少割合が第３所定値を上回っている場合に、燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態と判定する。なお、第３所定値は、予め実験等により算出され、制御部４０のＲＯＭ等に記憶されている。

このように、水素流路１０５におけるドライアップ状態となりやすい導入対応部位近傍に配置された湿度検出器により、セル１００内の湿潤状態と直接的な関係がある相対湿度を検出することで、簡素な構成で燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

次に、第５実施形態では、第３実施形態の露点検出器１６が配置された水素流路１０５における空気流路１０６の空気導出部１０６ｂに対応する導出対応部位、空気導入部１０６ａに対応する導入対応部位のそれぞれに湿度検出器を配置する。

そして、導出対応部位側の湿度検出器で検出した相対湿度から導入対応部位側の湿度検出器で検出した相対湿度を減算し、その減算して得られた値が第４所定値を超えた場合に燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態と判定する。なお、第４所定値は、予め実験等により算出され、制御部４０のＲＯＭ等に記憶されている。

このように、水素流路１０５におけるドライアップ状態となりやすい導入対応部位近傍、および水素流路１０５におけるドライアップ状態となり難い導出対応部位近傍にそれぞれ配置した湿度検出器により、燃料電池１０内の湿潤状態と直接的な関係がある相対湿度をそれぞれ検出することで、従来のインピーダンスを検出するシステムに比べ、簡素な構成で燃料電池１０の運転状態がドライアップ状態か否かを早期に判定することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、カウンタフロー型、およびコフロー型のガス流れの例について説明したが、これに限定されるものではない。水素流路１０５における空気流路１０６の空気導入部１０６ａと対応する導入対応部近傍に露点検出器１６を配置する構成であれば、ガス流れ方向については種々変更可能である。

（２）上述の実施形態では、水素流路１０５および空気流路１０６は、多孔質体で構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、セパレータ１０４に溝部を直線状、蛇行状に形成した溝流路等であってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。第１実施形態に係るセルの構成を示す模式図である。第１実施形態に係るセルのドライアップ状態初期段階における水素導入部と水素導出部との間の露点温度の変化を説明する説明図である。第１実施形態に係るセルのドライアップ状態初期段階における水素導入部と水素導出部との間の電流密度の変化を説明する説明図である。第１実施形態に係る水素流路内の水素導入部１０５ａと水素導出部１０５ｂ近傍における露点温度、および燃料電池のセル電圧の時間変化を説明する説明図である。第１実施形態にかかるドライアップ判定制御のフローチャートである。第２実施形態に係るセルの構成を示す模式図である。第３実施形態に係るセルの構成を示す模式図である。第３実施形態にかかるドライアップ判定制御のフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池
１６露点検出器（露点温度検出手段）
４０制御部（運転状態判定手段）
１０１電解質膜
１０４セパレータ
１０５水素流路（燃料ガス流路）
１０６空気流路（酸化剤ガス流路）

Claims

固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、前記セパレータ（１０４）における前記アノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、前記セパレータ（１０４）における前記カソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
前記燃料ガス流路（１０５）内の露点温度を検出する露点温度検出手段（１６）と、
前記燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、
前記露点温度検出手段（１６）は、前記燃料ガス流路（１０５）における前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入する部位（１０６ａ）に対応する導入対応部位近傍に配置され、
前記運転状態判定手段（４０）は、前記露点温度検出手段（１６）で今回検出された露点温度の前記露点温度検出手段（１６）で前回検出された露点温度に対する減少割合（ΔＤ１）を算出し、算出した前記減少割合（ΔＤ１）が予め設定された第１所定値を上回る場合に、前記燃料電池（１０）の運転状態が前記ドライアップ状態と判定することを特徴とする燃料電池システム。
固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、前記セパレータ（１０４）における前記アノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、前記セパレータ（１０４）における前記カソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
前記燃料ガス流路（１０５）内の露点温度を検出する露点温度検出手段（１６ａ、１６ｂ）と、
前記燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、
前記露点温度検出手段（１６ａ、１６ｂ）は、前記燃料ガス流路（１０５）における前記酸化剤ガス流路（１０６）に酸化剤ガスを導入する部位（１０６ａ）に対応する導入対応部位近傍、および前記燃料ガス流路（１０５）における前記酸化剤ガス流路（１０６）から酸化剤ガスを導出する部位（１０６ｂ）に対応する導出対応部位近傍のそれぞれに配置され、
前記運転状態判定手段（４０）は、前記導入対応部位近傍に配置された前記露点温度検出手段（１６ｂ）で検出された露点温度が、前記導出対応部位近傍に配置された前記露点温度検出手段（１６ａ）で検出された露点温度に対して、予め設定された第２所定値を超えて低下した場合に、前記燃料電池（１０）の運転状態が前記ドライアップ状態と判定することを特徴とする燃料電池システム。
固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、前記セパレータ（１０４）における前記アノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、前記セパレータ（１０４）における前記カソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
前記燃料ガス流路（１０５）内の相対湿度を検出する湿度検出手段と、
前記燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、
前記湿度検出手段は、前記燃料ガス流路（１０５）における前記酸化剤ガス流路（１０６）に酸化剤ガスを導入する部位（１０５ａ）に対応する導入対応部位近傍に配置され、
前記運転状態判定手段（４０）は、前記湿度検出手段で今回検出された相対湿度の前記湿度検出手段で前回検出された相対湿度に対する減少割合を算出し、算出した前記減少割合が予め設定された第３所定値を上回る場合に、前記燃料電池（１０）の運転状態が前記ドライアップ状態と判定することを特徴とする燃料電池システム。
固体高分子膜からなる電解質膜（１０１）の両面に、それぞれアノード（１０２ａ、１０３ａ）およびカソード（１０２ｂ、１０３ｂ）を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する一対のセパレータ（１０４）と、前記セパレータ（１０４）における前記アノード側に設けられた燃料ガス流路（１０５）と、前記セパレータ（１０４）における前記カソード側に設けられた酸化剤ガス流路（１０６）とからなるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
前記燃料ガス流路（１０５）内の相対湿度を検出する湿度検出手段と、
前記燃料電池（１０）の運転状態がドライアップ状態か否かを判定する運転状態判定手段（４０）とを備え、
前記湿度検出手段は、前記燃料ガス流路（１０５）における前記酸化剤ガス流路（１０５）に酸化剤ガスを導入する部位（１０６ａ）に対応する導入対応部位近傍、および前記燃料ガス流路（１０５）における前記酸化剤ガス流路（１０６）から酸化剤ガスを導出する部位（１０６ｂ）に対応する導出対応部位近傍のそれぞれに配置され、
前記運転状態判定手段（４０）は、前記導入対応部位近傍に配置された前記湿度検出手段で検出された相対湿度が、前記導出対応部位近傍に配置された前記湿度検出手段で検出された相対湿度に対して、予め設定された第４所定値を超えて低下した場合に、前記燃料電池の運転状態が前記ドライアップ状態と判定することを特徴とする燃料電池システム。