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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024008665
(43)【公開日】2024-01-19
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04746 20160101AFI20240112BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20240112BHJP
H01M 8/04225 20160101ALI20240112BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20240112BHJP
H01M 8/043 20160101ALI20240112BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20240112BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20240112BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240112BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04746
H01M8/0432
H01M8/04225
H01M8/04302
H01M8/043
H01M8/04537
H01M8/04858
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022110711
(22)【出願日】2022-07-08
(71)【出願人】
【識別番号】000005267
【氏名又は名称】ブラザー工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104178
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 尚
(74)【代理人】
【識別番号】100152515
【弁理士】
【氏名又は名称】稲山 朋宏
(72)【発明者】
【氏名】丹野 則彦
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA06
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA57
5H127BA59
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127BB39
5H127CC11
5H127DA01
5H127DB53
5H127DB74
5H127DC22
5H127DC45
(57)【要約】
【課題】セルスタックの発電性能を維持しつつ、セルスタックに供給される空気の供給量を低下させることが可能な燃料電池システムを提供する
【解決手段】燃料電池システムは、アノード極に水素を供給させ、且つ、カソード極に空気を供給させることで、燃料電池の発電を開始させる。燃料電池システムは、燃料電池が発電している状態で、熱触媒の温度が閾値温度未満の場合（Ｓ４３：ＮＯ）、第１供給量の空気をカソード極に供給させる（Ｓ４１）。燃料電池システムは、燃料電池が発電している状態で、熱触媒の温度が閾値温度以上の場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、カソード極に供給する空気を、第１供給量も小さい第２供給量まで段階的に低下させる（Ｓ４５）。燃料電池システムは、カソード極に対する空気の供給量が第２供給量になった場合、カソード極に対して第２供給量の空気を継続して供給する（Ｓ４９）。
【選択図】図１２
【解決手段】燃料電池システムは、アノード極に水素を供給させ、且つ、カソード極に空気を供給させることで、燃料電池の発電を開始させる。燃料電池システムは、燃料電池が発電している状態で、熱触媒の温度が閾値温度未満の場合（Ｓ４３：ＮＯ）、第１供給量の空気をカソード極に供給させる（Ｓ４１）。燃料電池システムは、燃料電池が発電している状態で、熱触媒の温度が閾値温度以上の場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、カソード極に供給する空気を、第１供給量も小さい第２供給量まで段階的に低下させる（Ｓ４５）。燃料電池システムは、カソード極に対する空気の供給量が第２供給量になった場合、カソード極に対して第２供給量の空気を継続して供給する（Ｓ４９）。
【選択図】図１２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アノード極、カソード極、及び触媒を有するセルを少なくとも１つ有するスタックと、
前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソード極に空気を供給する空気供給部と、
前記セルの温度を調節する熱媒体の温度を計測する計測部と、
前記燃料供給部及び前記空気供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料供給部を制御して前記アノード極に前記燃料を供給させ、且つ、前記空気供給部を制御して前記カソード極に前記空気を供給させることで、前記スタックを発電させる発電処理と、
前記発電処理により前記スタックが発電している状態で、前記計測部により計測された温度が所定の閾値温度未満の場合、前記空気供給部を制御し、第１供給量の前記空気を前記カソード極に供給させる第１供給処理と、
前記発電処理により前記スタックが発電している状態で、前記計測部により計測された温度が前記閾値温度以上の場合、前記空気供給部を制御して前記カソード極に供給させる前記空気を調節する第２供給処理であって、
前記カソード極に対する前記空気の供給量が前記第１供給量である場合、前記カソード極に供給する前記空気を、前記第１供給量も小さい第２供給量まで段階的に低下させる段階供給処理と、
前記カソード極に対する前記空気の供給量が前記第２供給量である場合、前記カソード極に前記第２供給量の前記空気を継続して供給する継続供給処理と
を含む前記第２供給処理と
を実行することを特徴とする燃料電池システム。
前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソード極に空気を供給する空気供給部と、
前記セルの温度を調節する熱媒体の温度を計測する計測部と、
前記燃料供給部及び前記空気供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料供給部を制御して前記アノード極に前記燃料を供給させ、且つ、前記空気供給部を制御して前記カソード極に前記空気を供給させることで、前記スタックを発電させる発電処理と、
前記発電処理により前記スタックが発電している状態で、前記計測部により計測された温度が所定の閾値温度未満の場合、前記空気供給部を制御し、第１供給量の前記空気を前記カソード極に供給させる第１供給処理と、
前記発電処理により前記スタックが発電している状態で、前記計測部により計測された温度が前記閾値温度以上の場合、前記空気供給部を制御して前記カソード極に供給させる前記空気を調節する第２供給処理であって、
前記カソード極に対する前記空気の供給量が前記第１供給量である場合、前記カソード極に供給する前記空気を、前記第１供給量も小さい第２供給量まで段階的に低下させる段階供給処理と、
前記カソード極に対する前記空気の供給量が前記第２供給量である場合、前記カソード極に前記第２供給量の前記空気を継続して供給する継続供給処理と
を含む前記第２供給処理と
を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項2】
前記制御部は、
前記発電処理による前記スタックの発電の開始時、前記計測部により計測された温度に関わらず、前記第１供給量の前記空気を前記カソード極に供給させる開始時供給処理
を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記発電処理による前記スタックの発電の開始時、前記計測部により計測された温度に関わらず、前記第１供給量の前記空気を前記カソード極に供給させる開始時供給処理
を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記空気供給部は、
前記カソード極に対する前記空気の供給量を、所定のステップ量ずつ調節可能であり、
前記段階供給処理は、
前記カソード極に供給する前記空気を、前記ステップ量ずつ前記第２供給量まで段階的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記カソード極に対する前記空気の供給量を、所定のステップ量ずつ調節可能であり、
前記段階供給処理は、
前記カソード極に供給する前記空気を、前記ステップ量ずつ前記第２供給量まで段階的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記段階供給処理は、
前記カソード極に供給する前記空気を、単位時間毎に前記第２供給量まで段階的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記カソード極に供給する前記空気を、単位時間毎に前記第２供給量まで段階的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記段階供給処理は、
前記カソード極に供給する前記空気を、前記第１供給量の所定の割合である割合量ずつ前記第２供給量まで段階的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記カソード極に供給する前記空気を、前記第１供給量の所定の割合である割合量ずつ前記第２供給量まで段階的に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記制御部は、
前記発電処理による前記スタックの発電が開始される前に、前記空気供給部を制御して前記カソード極に前記空気を供給させる発電前供給処理
を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記発電処理による前記スタックの発電が開始される前に、前記空気供給部を制御して前記カソード極に前記空気を供給させる発電前供給処理
を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記第１供給量は、前記第２供給量の２倍以上の値であることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項8】
前記制御部は、
前記スタックの電圧が所定の第１閾値電圧未満の場合、前記スタックから出力可能な電力を減少させる電力減少処理と、
前記スタックの電圧が、前記第１閾値電圧よりも大きい場合、前記スタックから出力可能な電力を増加させる電力増加処理と
を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記スタックの電圧が所定の第１閾値電圧未満の場合、前記スタックから出力可能な電力を減少させる電力減少処理と、
前記スタックの電圧が、前記第１閾値電圧よりも大きい場合、前記スタックから出力可能な電力を増加させる電力増加処理と
を更に実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項9】
前記電力増加処理は、
前記スタックの電圧が、前記第１閾値電圧よりも大きい第２閾値電圧以上の場合、前記スタックから出力可能な電力を増加させる
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
前記スタックの電圧が、前記第１閾値電圧よりも大きい第２閾値電圧以上の場合、前記スタックから出力可能な電力を増加させる
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項10】
前記電力減少処理による電力の減少幅は、前記電力増加処理による電力の増加幅よりも大きいことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項11】
前記減少幅は、前記増加幅の１０倍以上であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、燃料電池システムを開示する。燃料電池システムは、セルスタック、エアポンプ、セルスタック温度センサ、及びＣＰＵを備える。エアポンプは、セルスタックに空気を供給する。セルスタック温度センサは、セルスタックの温度を検出する。ＣＰＵは、セルスタック温度センサによって検出されたセルスタックの温度に基づいて、エアポンプの出力を制御する。ＣＰＵは、セルスタックの発電を開始した後、セルスタックの温度が所定温度に達するまでの少なくとも一部の期間、エアポンプによる空気の出力を、セルスタックの温度が所定温度以上の場合の出力よりも大きく設定する。これにより燃料電池システムは、燃料電池の温度上昇に要する時間を短縮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１１－９６５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
セルスタックに供給される空気の供給量を大きくした状態から元に戻す場合、供給量を急激に低下させると、セルスタックの電圧が急落して発電が急停止する場合があるという問題点がある。
【0005】
本発明の目的は、セルスタックの発電性能を維持しつつ、セルスタックに供給される空気の供給量を低下させることが可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る燃料電池システムは、アノード極、カソード極、及び触媒を有するセルを少なくとも１つ有するスタックと、前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、前記カソード極に空気を供給する空気供給部と、前記セルの温度を調節する熱媒体の温度を計測する計測部と、前記燃料供給部及び前記空気供給部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料供給部を制御して前記アノード極に前記燃料を供給させ、且つ、前記空気供給部を制御して前記カソード極に前記空気を供給させることで、前記スタックを発電させる発電処理と、前記発電処理により前記スタックが発電している状態で、前記計測部により計測された温度が所定の閾値温度未満の場合、前記空気供給部を制御し、第１供給量の前記空気を前記カソード極に供給させる第１供給処理と、前記発電処理により前記スタックが発電している状態で、前記計測部により計測された温度が前記閾値温度以上の場合、前記空気供給部を制御して前記カソード極に供給させる前記空気を調節する第２供給処理であって、前記カソード極に対する前記空気の供給量が前記第１供給量である場合、前記カソード極に供給する前記空気を、前記第１供給量も小さい第２供給量まで段階的に低下させる段階供給処理と、前記カソード極に対する前記空気の供給量が前記第２供給量である場合、前記カソード極に前記第２供給量の前記空気を継続して供給する継続供給処理とを含む前記第２供給処理とを実行することを特徴とする。
【0007】
本発明において、燃料電池システムは、カソード極に供給される空気の供給量を第２供給量まで段階的に低下させる。これにより燃料電池システムは、空気の供給量の低下に応じてスタックの電圧が急落し発電が停止することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】燃料電池システム１の概要を示す図である。
【図2】制御装置６の電気的構成を示すブロック図である。
【図3】スタック電圧、スタック電流、及び出力電力の経時変化を示すグラフである。
【図4】閾値Ｔｈを設定した場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。
【図5】スタック電流と、温度計測部５２により計測された熱媒体の温度との関係を示すグラフである。
【図6】閾値Ｖｈ１を設定した場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。
【図7】スタック電流と、温度計測部５２により計測された熱媒体の温度との関係を示すグラフである。
【図8】空気の供給量を急激に低下させた場合におけるスタック電圧及び出力電力の経時変化を示すグラフである。
【図9】空気の供給量を段階的に低下させた場合におけるスタック電圧及び出力電力の経時変化を示すグラフである。
【図10】対策前後のそれぞれの場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。
【図11】メイン処理のフローチャートである。
【図12】発電処理のフローチャートである。
【図13】出力制御処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明に係る燃料電池システム１の一実施形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものであり、記載されている装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【0010】
＜燃料電池システム１の概要＞
図１を参照し、燃料電池システム１の概要について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池１Ａ、複数の流路２０、複数の弁２０Ａ、ポンプ３１、３２、３４、フィルタ３３、水素供給源４１、空気供給源４２、熱交換器４３、電力調整部４４、電圧計測部５１、温度計測部５２、及び制御装置６を有する。複数の流路２０は、水素供給路２１、水素排出路２２、空気供給路２３、空気排出路２４、及び、熱媒体循環路２５を含む。複数の弁２０Ａは、水素供給弁２１Ａ、水素排出弁２２Ａ、空気供給弁２３Ａ、及び空気排出弁２４Ａを含む。
図１を参照し、燃料電池システム１の概要について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池１Ａ、複数の流路２０、複数の弁２０Ａ、ポンプ３１、３２、３４、フィルタ３３、水素供給源４１、空気供給源４２、熱交換器４３、電力調整部４４、電圧計測部５１、温度計測部５２、及び制御装置６を有する。複数の流路２０は、水素供給路２１、水素排出路２２、空気供給路２３、空気排出路２４、及び、熱媒体循環路２５を含む。複数の弁２０Ａは、水素供給弁２１Ａ、水素排出弁２２Ａ、空気供給弁２３Ａ、及び空気排出弁２４Ａを含む。
【0011】
燃料電池１Ａは、セル１０を複数積層したスタック構造を有する。隣接するセル１０間は、非図示のセパレータにより隔てられる。複数のセル１０は直列に接続される。各セル１０は、アノード１１、カソード１２、及び電解質（例えば、固体高分子電解質膜）１３を有する。
【0012】
電解質１３は、アノード１１とカソード１２との間に挟まれる。アノード１１は、アノード極１１Ａとアノード触媒１１Ｂとを含む。カソード１２は、カソード極１２Ａとカソード触媒１２Ｂとを含む。アノード極１１Ａ及びカソード極１２Ａは電極である。アノード触媒１１Ｂ及びカソード触媒１２Ｂは、例えばアセチレンブラックに担持されたＰｔからなる。なお、アノード触媒１１Ｂ及びカソード触媒１２Ｂの材料は例示した材料に限定されず、他の材料でもよい。セパレータは、各セル１０の間に配置された板形状であり、一方の面にセル１０のアノード極１１Ａに面する燃料流路を有し、他方の面にセル１０のカソード極１２Ａに面する酸化剤流路を有する。本実施形態では、燃料として水素を使用し、酸化剤として空気を使用する。
【0013】
水素供給源４１は水素の取り入れ口であり、燃料電池１Ａにて消費される水素の供給源として機能する。例えば、水素供給源４１は非図示の水素タンクに接続され、水素タンクに貯留された水素が取り入れられる。水素供給源４１は、水素タンクの他、水電解装置に接続されてもよい。空気供給源４２は空気の取り入れ口であり、燃料電池１Ａにて消費される空気の供給源として機能する。例えば、空気供給源４２には大気中の空気が取り入れられる。なお、空気供給源４２は、空気タンクに接続されてもよいし、水電解装置に接続されてもよい。
【0014】
水素供給路２１、及び水素排出路２２は、水素が通流する管である。水素供給路２１は、水素供給源４１から各セル１０のアノード極１１Ａに水素を供給する。水素排出路２２は、各セル１０のアノード極１１Ａから水素を排出する。空気供給路２３及び空気排出路２４は、空気が通流する管である。空気供給路２３は、空気供給源４２から各セル１０のカソード極１２Ａに空気を供給する。空気排出路２４は、各セル１０のカソード極１２Ａから空気を排出する。
【0015】
ポンプ３１は、水素供給路２１に介在する。ポンプ３１は、水素供給源４１から各セル１０のアノード極１１Ａに向けた水素の流れを、水素供給路２１に形成させる。ポンプ３２は、空気供給路２３に介在する。ポンプ３２は、空気供給源４２から各セル１０のカソード極１２Ａに向けた空気の流れを、空気供給路２３に形成させる。フィルタ３３は、空気供給源４２とポンプ３２との間の空気供給路２３に設けられる。フィルタ３３は、空気供給路２３を通流する空気から不純物を除去する。
【0016】
水素供給弁２１Ａは水素供給路２１に設けられる。水素供給弁２１Ａは、水素供給路２１を開閉可能な調節弁である。水素排出弁２２Ａは水素排出路２２に設けられる。水素排出弁２２Ａは、水素排出路２２を開閉可能な調節弁である。空気供給弁２３Ａは空気供給路２３に設けられる。空気供給弁２３Ａは、空気供給路２３を開閉可能な調節弁である。空気排出弁２４Ａは空気排出路２４に設けられる。空気排出弁２４Ａは、空気排出路２４を開閉可能な調節弁である。
【0017】
水素供給弁２１Ａは、水素供給路２１を流れる水素の流量を制御することが可能である。空気供給弁２３Ａは、空気供給路２３を流れる空気の流量を制御することが可能である。水素供給弁２１Ａ及び空気供給弁２３Ａは、夫々、制御装置６から出力される電気信号に応じ、流量を段階的に調節可能である。
【0018】
水素供給源４１、ポンプ３１、水素供給弁２１Ａ、及び水素供給路２１は、燃料電池１Ａのアノード極１１Ａに水素を供給する燃料供給部１Ｂとして機能する。燃料供給部１Ｂは、ポンプ３１を駆動し且つ水素供給弁２１Ａを開放させることにより、水素供給路２１を介してアノード極１１Ａに水素を供給する。燃料供給部１Ｂは、水素供給路２１を流れる水素の流量を水素供給弁２１Ａにより制御することで、アノード極１１Ａに対する水素の供給量を所定のステップ量ｒずつ段階的に調節可能である。又、燃料供給部１Ｂは、ポンプ３１の駆動を停止し且つ水素供給弁２１Ａを閉塞させることにより、アノード極１１Ａに対する水素の供給を停止する。
【0019】
空気供給源４２、フィルタ３３、ポンプ３２、空気供給弁２３Ａ、及び空気供給路２３は、燃料電池１Ａのカソード極１２Ａに空気を供給する空気供給部１Ｃとして機能する。空気供給部１Ｃは、ポンプ３２を駆動し且つ空気供給弁２３Ａを開放させることにより、空気供給路２３を介してカソード極１２Ａに空気を供給する。空気供給部１Ｃは、空気供給路２３を流れる空気の流量を空気供給弁２３Ａにより制御することで、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を所定のステップ量ｑずつ段階的に調節可能である。又、空気供給部１Ｃは、ポンプ３２の駆動を停止し且つ空気供給弁２３Ａを閉塞させることにより、カソード極１２Ａに対する空気の供給を停止する。
【0020】
燃料電池１Ａが発電することにより、燃料電池１Ａの出力端子１８間に電圧が印加される。この電圧の値は、各セル１０のアノード極１１Ａとカソード極１２Ａとの間の電圧を加算した値と一致する。以下、この電圧を「スタック電圧」という。燃料電池１Ａの出力端子１８から出力される電流を、「スタック電流」という。
【0021】
燃料電池システム１は、外部負荷Ｌｄを接続可能な接続端子１９を有する。燃料電池１Ａの出力端子１８は、電力調整部４４を介して接続端子１９に接続する。電力調整部４４は、出力端子１８間のスタック電圧を昇圧又は降圧するコンバータである。電力調整部４４は、接続端子１９から出力される電圧及び電流を制御することにより、接続端子１９に接続された外部負荷Ｌｄに供給することが可能な電力を調整する。以下この電力を「出力電力」という。
【0022】
電圧計測部５１は、分圧抵抗及びＡＤコンバータを含む。分圧抵抗は、出力端子１８に接続され、スタック電圧を分圧する。ＡＤコンバータは分圧抵抗に接続し、分圧抵抗の両端部の間の電圧を示す電気信号を制御装置６に出力する。
【0023】
熱媒体循環路２５は、熱媒体が循環する管である。熱媒体は、燃料電池１Ａを加熱する為の流体である。熱媒体循環路２５は環状を有する。熱媒体循環路２５の一部は、燃料電池１Ａ内に配置される。以下、熱媒体循環路２５のうち燃料電池１Ａ内に配置される部分を、「加熱部２５Ａ」という。加熱部２５Ａを通過する熱媒体は、燃料電池１Ａの複数のセル１０に熱を供給することにより、複数のセル１０を加熱する。又、熱媒体は、加熱部２５Ａにおいて複数のセル１０に熱を供給することにより冷却される。
【0024】
熱媒体循環路２５には、ポンプ３４及び熱交換器４３が介在する。ポンプ３４は、加熱部２５Ａの出口２５２から排出された熱媒体を、熱交換器４３に向けて送り出す。熱交換器４３は、ポンプ３４により送り出された熱媒体に熱を供給することにより、熱媒体を加熱する。熱交換器４３により加熱された熱媒体は、加熱部２５Ａの入口２５１に向けて送り込まれる。
【0025】
温度計測部５２は、熱媒体循環路２５のうち加熱部２５Ａの出口２５２とポンプ３４との間に接続する。温度計測部５２は熱電対である。温度計測部５２は、加熱部２５Ａの出口２５２から排出された熱媒体の温度を計測し、計測結果を示す電気信号を制御装置６に出力する。
【0026】
制御装置６は、燃料電池システム１に含まれる制御基板であり、燃料電池システム１の全体の制御を司る。
【0027】
＜燃料電池１Ａの発電原理＞
アノード１１のアノード極１１Ａに対し、水素供給源４１から水素供給路２１を介して水素が供給される。水素は、アノード１１のアノード触媒１１Ｂにより水素イオンと電子に分解される。水素イオンは、電解質１３を介してカソード１２に向けて流れる。電子は、出力端子１８、接続端子１９、及び外部負荷Ｌｄを介して、カソード１２のカソード極１２Ａに向けて流れる。これにより、外部負荷Ｌｄに給電される。
アノード１１のアノード極１１Ａに対し、水素供給源４１から水素供給路２１を介して水素が供給される。水素は、アノード１１のアノード触媒１１Ｂにより水素イオンと電子に分解される。水素イオンは、電解質１３を介してカソード１２に向けて流れる。電子は、出力端子１８、接続端子１９、及び外部負荷Ｌｄを介して、カソード１２のカソード極１２Ａに向けて流れる。これにより、外部負荷Ｌｄに給電される。
【0028】
カソード１２のカソード極１２Ａに対し、空気供給源４２から空気供給路２３を介して空気が供給される。カソード１２のカソード触媒１２Ｂでは、電解質１３を介してアノード１１から流れてきた水素イオンと、出力端子１８、接続端子１９、及び外部負荷Ｌｄを介して流れてきた電子と、空気の酸素分子とが結合し、水が発生する。
【0029】
＜制御装置６の電気的構成＞
図２を参照し、制御装置６の電気的構成について説明する。制御装置６は、ＣＰＵ６１、記憶装置６２、入力部６３、及び出力部６４を含む。ＣＰＵ６１は、記憶装置６２、入力部６３、出力部６４、複数の弁２０Ａ、ポンプ３１、３２、３４、電力調整部４４、電圧計測部５１、及び温度計測部５２と電気的に接続する。
図２を参照し、制御装置６の電気的構成について説明する。制御装置６は、ＣＰＵ６１、記憶装置６２、入力部６３、及び出力部６４を含む。ＣＰＵ６１は、記憶装置６２、入力部６３、出力部６４、複数の弁２０Ａ、ポンプ３１、３２、３４、電力調整部４４、電圧計測部５１、及び温度計測部５２と電気的に接続する。
【0030】
ＣＰＵ６１は、制御装置６を含む燃料電池システム１の全体を制御する。記憶装置６２は、ＣＰＵ６１が後述するメイン処理（図１１参照）、発電処理（図１２参照）、及び出力制御処理（図１３参照）を実行する為のプログラムを記憶する。
【0031】
入力部６３は押ボタンであり、燃料電池システム１に対する入力操作を受け付ける。出力部６４はディスプレイであり、燃料電池システム１の状態等を出力する。
【0032】
ＣＰＵ６１は、ポンプ３１を制御することにより、水素供給路２１を介して水素供給源４１から各セル１０のアノード極１１Ａに向けて水素を通流させることが可能である。ＣＰＵ６１は、ポンプ３２を制御することにより、空気供給路２３を介して空気供給源４２から各セル１０のカソード極１２Ａに向けて空気を通流させることが可能である。ＣＰＵ６１は、ポンプ３４を制御することにより、熱媒体循環路２５を介して熱媒体を循環させることが可能である。これにより、熱交換器４３にて加熱された熱媒体は、熱媒体循環路２５の加熱部２５Ａに送り出される。ＣＰＵ６１は、複数の弁２０Ａを制御することにより、複数の流路２０を開閉可能である。
【0033】
ＣＰＵ６１は、電力調整部４４に電気信号を出力して制御することにより、燃料電池システム１の出力電力を調整することが可能である。
【0034】
ＣＰＵ６１は、電圧計測部５１から出力される電気信号に基づき、燃料電池１Ａのスタック電圧を取得可能である。ＣＰＵ６１は、温度計測部５２から出力される信号に基づき、熱媒体循環路２５の加熱部２５Ａの出口２５２から排出された熱媒体の温度を取得可能である。
【0035】
＜フラッディングによる性能低下＞
フラッディングとは、燃料電池１Ａの発電の過程で発生した水がカソード極１２Ａに付着する現象を示す。フラッディングが発生した場合、カソード極１２Ａに付着した水が空気の経路を塞いでしまい、燃料電池１Ａによる発電の性能が低下する。図３は、燃料電池１Ａのスタック電圧、スタック電流、及び、燃料電池システム１の出力電力の経時変化を示すグラフである。スタック電圧及びスタック電流は、発電開始から時間ｔ１１の経過後に急激に低下しており、このタイミングでフラッディングが発生していることを表している。
フラッディングとは、燃料電池１Ａの発電の過程で発生した水がカソード極１２Ａに付着する現象を示す。フラッディングが発生した場合、カソード極１２Ａに付着した水が空気の経路を塞いでしまい、燃料電池１Ａによる発電の性能が低下する。図３は、燃料電池１Ａのスタック電圧、スタック電流、及び、燃料電池システム１の出力電力の経時変化を示すグラフである。スタック電圧及びスタック電流は、発電開始から時間ｔ１１の経過後に急激に低下しており、このタイミングでフラッディングが発生していることを表している。
【0036】
本実施形態において、燃料電池システム１は、フラッディングの発生を抑制する為、（１）燃料電池１Ａの加熱による対策、（２）出力電力の制御による対策、（３）発電開始時における空気の供給量の調節による対策、（４）熱媒体の温度上昇後における空気の供給量の調節による対策、を行う。
【0037】
（１）燃料電池１Ａの加熱による対策
フラッディングは、燃料電池１Ａの発電時における温度が低温になる程、発生しやすい。この理由は、温度が低温になる程、水が結露し、カソード極１２Ａに付着し易い為である。このためＣＰＵ６１は、温度計測部５２により計測される熱媒体の温度が所定の閾値Ｔｋ未満になった場合、熱媒体循環路２５に介在するポンプ３４を駆動し、加熱部２５Ａに熱媒体を供給して複数のセル１０を加熱する。
フラッディングは、燃料電池１Ａの発電時における温度が低温になる程、発生しやすい。この理由は、温度が低温になる程、水が結露し、カソード極１２Ａに付着し易い為である。このためＣＰＵ６１は、温度計測部５２により計測される熱媒体の温度が所定の閾値Ｔｋ未満になった場合、熱媒体循環路２５に介在するポンプ３４を駆動し、加熱部２５Ａに熱媒体を供給して複数のセル１０を加熱する。
【0038】
図４は、閾値Ｔｋを１３～１５℃、１５～１７℃、１７～１９℃、２１～２３℃のそれぞれに設定した場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。閾値Ｔｋを１３～１５℃に設定した場合、発電開始から時間ｔ２１の経過後に急激にスタック電圧が低下した。又、閾値Ｔｋを１５～１７℃に設定した場合、発電開始から時間ｔ２２の経過後に急激にスタック電圧が低下した。これらはいずれも、このタイミングでフラッディングが発生していることを表している。一方、閾値Ｔｋを１７～１９℃、２１～２３℃に設定した場合、フラッディングの発生に基づくスタック電圧の急激な低下は見られなかった。このため本実施形態において、閾値Ｔｋは１７℃に設定された。又、ＣＰＵ６１は、設定された閾値Ｔｋに基づいて燃料電池１Ａを加熱する制御を行った。
【0039】
図５は、スタック電流と、温度計測部５２により計測された熱媒体の温度との関係を、閾値Ｔｋ（１７～１９℃（気温９℃／１４℃）、２０～２２℃、２１～２３℃、２２～２４℃、２４～２６℃）毎に示したグラフである。なお、熱媒体の温度は、燃料電池１Ａの発電開始からの経過時間が長くなる程高くなるので、グラフの横軸（熱媒体温度）は、燃料電池１Ａの発電開始からの経過時間と同義と見做せる。
【0040】
この結果から、閾値Ｔｋを大きい値に設定する程、スタック電流が流れ始めるタイミングが遅延し、且つ、スタック電流の急激な上昇を抑制できることが分かった（矢印Ｙ１１）。このことは、閾値Ｔｋを大きい値に設定する程、燃料電池１Ａが低温状態で発電して大きなスタック電流が通電することを抑制できることになる。このため、閾値Ｔｋを大きい値に設定する程、フラッディングが発生し難い環境で燃料電池１Ａを発電させることができることが分かった。
【0041】
（２）出力電力の制御による対策
フラッディングの発生を抑制する方法の例として、燃料電池システム１から出力される電力を制御する方法がある。ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの複数のセル１０の１個当たりの電圧が所定の閾値Ｖｈ１未満になった場合、電力調整部４４を制御して出力電力を低下させる。一方、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの複数のセル１０のそれぞれの電圧が、閾値Ｖｈ１よりも大きい所定の閾値Ｖｈ２以上になった場合、電力調整部４４を制御して出力電力を増加させる。これによりＣＰＵ６１は、各セル１０の電圧が閾値Ｖｈ１よりも小さくならないよう制御し、フラッディングの発生を抑制する。
フラッディングの発生を抑制する方法の例として、燃料電池システム１から出力される電力を制御する方法がある。ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの複数のセル１０の１個当たりの電圧が所定の閾値Ｖｈ１未満になった場合、電力調整部４４を制御して出力電力を低下させる。一方、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの複数のセル１０のそれぞれの電圧が、閾値Ｖｈ１よりも大きい所定の閾値Ｖｈ２以上になった場合、電力調整部４４を制御して出力電力を増加させる。これによりＣＰＵ６１は、各セル１０の電圧が閾値Ｖｈ１よりも小さくならないよう制御し、フラッディングの発生を抑制する。
【0042】
図６は、閾値Ｖｈ１を０．６０Ｖ／ｃｅｌｌ、０．６３Ｖ／ｃｅｌｌ、０．６４Ｖ／ｃｅｌｌ、０．６６Ｖ／ｃｅｌｌのそれぞれに設定した場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。閾値Ｖｈ１を０．６０Ｖ／ｃｅｌｌに設定した場合、発電開始から時間ｔ４１の経過後に急激にスタック電圧が低下した。閾値Ｖｈ１を０．６３Ｖ／ｃｅｌｌに設定した場合、発電開始から時間ｔ４２の経過後に急激にスタック電圧が低下した。閾値Ｖｈ１を０．６４Ｖ／ｃｅｌｌに設定した場合、発電開始から時間ｔ４３の経過後に急激にスタック電圧が低下した。なお図６では、サンプリング周期の問題で急激なスタック電圧の低下は表れていない。これらはいずれも、このタイミングでフラッディングが発生していることを表している。一方、閾値Ｖｈ１を０．６６Ｖ／ｃｅｌｌに設定した場合、フラッディングの発生に基づくスタック電圧の急激な低下は見られなかった。このため本実施形態において、閾値Ｖｈ１は０．６６Ｖ／ｃｅｌｌに設定され、閾値Ｖｈ２は閾値Ｖｈ１よりも大きい０．６８Ｖ／ｃｅｌｌに設定された。又、ＣＰＵ６１は、設定された閾値Ｖｈ１、Ｖｈ２に基づいて出力電力の制御を行った。
【0043】
なお、各セル１０の電圧が閾値Ｖｈ２以上となった場合において出力電力を増加させる場合の程度が大きいと、急激なスタック電流の増加によりフラッディングが発生しやすくなる。以下、出力電力を増加させる場合の程度を、「増加幅Ｗｕ」という。
【0044】
図７は、スタック電流と、温度計測部５２により計測された熱媒体の温度との関係を、出力電力の増加幅Ｗｕ（１Ｗ／２ｓｅｃ、２Ｗ／２ｓｅｃ、５Ｗ／２ｓｅｃ）毎に示したグラフである。なお、図５の場合と同様、グラフの横軸（熱媒体温度）は、燃料電池１Ａの発電開始からの経過時間と同義と見做せる。
【0045】
この結果から、増加幅Ｗｕを小さい値に設定する程、スタック電流が流れ始めるタイミングが遅延し、且つ、スタック電流の急激な増加を抑制できることが分かった（矢印Ｙ１２）。このことは、増加幅Ｗｕを小さい値に設定する程、燃料電池１Ａが低温状態で発電して大きなスタック電流が通電することを抑制できることになる。このため、増加幅Ｗｕを小さい値に設定する程、フラッディングが発生し難い環境で燃料電池１Ａを発電させることができることが分かった。本実施形態において、増加幅Ｗｕは１Ｗに設定された。
【0046】
（３）発電開始時における空気の供給量の調節による対策
燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電を開始する場合、空気供給部１Ｃにより各セル１０のカソード極１２Ａに大量の空気を供給し、カソード極１２Ａに付着した水を吹き飛ばすことによりカソード極１２Ａから水を除去する。より詳細には、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの発電を開始する直前から、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度が所定の閾値Ｔｈ以上となるまでの間、空気の供給量を、通常の発電に必要な空気の供給量の２倍とする。以下、通常の発電に必要な空気の供給量を、「第２供給量Ｑ２」といい、第２供給量の２倍の供給量を、「第１供給量Ｑ１」という。本実施形態において、閾値Ｔｈは３７．５℃に設定された。
燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電を開始する場合、空気供給部１Ｃにより各セル１０のカソード極１２Ａに大量の空気を供給し、カソード極１２Ａに付着した水を吹き飛ばすことによりカソード極１２Ａから水を除去する。より詳細には、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの発電を開始する直前から、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度が所定の閾値Ｔｈ以上となるまでの間、空気の供給量を、通常の発電に必要な空気の供給量の２倍とする。以下、通常の発電に必要な空気の供給量を、「第２供給量Ｑ２」といい、第２供給量の２倍の供給量を、「第１供給量Ｑ１」という。本実施形態において、閾値Ｔｈは３７．５℃に設定された。
【0047】
図８は、上記のように空気の供給量を調節した場合における、スタック電圧及び出力電力の経時変化を示すグラフである。又、発電開始から時間ｔ６１の経過後、電力調整部４４により、接続端子１９からの電力の供給が可能な状態に切り替えられている。時間ｔ６１の経過後、発電開始から時間ｔ６２が経過するまでの間、第１供給量Ｑ１の空気が供給された状態でスタック電圧及び出力電力は安定化しており、フラッディングの発生は抑制されている。
【0048】
（４）熱媒体の温度上昇後における空気の供給量の調節による対策
図８に示すように、発電開始から時間ｔ６２が経過するまでの間、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度は、３２．９℃から徐々に上昇する。そして、時間ｔ６２が経過した時点で、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度は閾値Ｔｈに達する。このときＣＰＵ６１は、空気供給部１Ｃにより各セル１０のカソード極１２Ａに供給される空気の供給量が第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで急激に低下するよう制御する。この場合、空気の供給量の急激な低下に伴い、スタック電圧が一時的に９．５５Ｖまで低下する（サンプルＰ１参照）。スタック電圧が一時的に９．５５Ｖまで低下すると、燃料電池システム１からの出力電力が不安定となるため好ましくない。
図８に示すように、発電開始から時間ｔ６２が経過するまでの間、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度は、３２．９℃から徐々に上昇する。そして、時間ｔ６２が経過した時点で、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度は閾値Ｔｈに達する。このときＣＰＵ６１は、空気供給部１Ｃにより各セル１０のカソード極１２Ａに供給される空気の供給量が第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで急激に低下するよう制御する。この場合、空気の供給量の急激な低下に伴い、スタック電圧が一時的に９．５５Ｖまで低下する（サンプルＰ１参照）。スタック電圧が一時的に９．５５Ｖまで低下すると、燃料電池システム１からの出力電力が不安定となるため好ましくない。
【0049】
このためＣＰＵ６１は、空気の供給量を、第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで段階的に低下させる。図９では、発電開始から時間ｔ７１が経過した時点で、温度計測部５２により計測した熱媒体の温度が閾値Ｔｈに達している。又、各セル１０のカソード極１２Ａに供給される空気の供給量は、発電開始から時間ｔ７２が経過するまでの間で第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで段階的に低下している。
【0050】
この場合、空気の供給量の低下に伴いスタック電圧は一時的に１０．２Ｖまで低下する（サンプルＰ２参照）。この値は、図８の場合（サンプルＰ１、９．５５Ｖ）よりも大きな値となっている。このため、空気の供給量を段階的に低下させることにより、図８の場合と比べて、燃料電池システム１の出力電力を安定化させることができることが分かった。
【0051】
（１）～（４）による効果
図１０は、上記の（１）～（４）の対策を実行する前と後とのそれぞれの場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。対策前の場合、発電開始から時間ｔ８１の経過後に、スタック電圧が急激に低下しており、このタイミングでフラッディングが発生していることを表している。一方、対策後の場合、スタック電圧の急激な低下は見られず、スタック電圧は安定的に推移した。従って、対策（１）～（４）を実行することにより、フラッディングの発生を抑制できることが分かった。
図１０は、上記の（１）～（４）の対策を実行する前と後とのそれぞれの場合におけるスタック電圧の経時変化を示すグラフである。対策前の場合、発電開始から時間ｔ８１の経過後に、スタック電圧が急激に低下しており、このタイミングでフラッディングが発生していることを表している。一方、対策後の場合、スタック電圧の急激な低下は見られず、スタック電圧は安定的に推移した。従って、対策（１）～（４）を実行することにより、フラッディングの発生を抑制できることが分かった。
【0052】
＜メイン処理＞
図１１～図１３を参照し、メイン処理について説明する。ＣＰＵ６１は、制御装置６の電源を投入する操作が行われた場合、記憶装置６２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、メイン処理を開始する。なお、メイン処理の開始時において、アノード極１１Ａに対する水素の供給は停止され、且つ、カソード極１２Ａに対する空気の供給は停止されている。又、電力調整部４４は、燃料電池システム１の出力電力を０Ｗとする。燃料電池システム１の接続端子１９に外部負荷Ｌｄが接続される。
図１１～図１３を参照し、メイン処理について説明する。ＣＰＵ６１は、制御装置６の電源を投入する操作が行われた場合、記憶装置６２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、メイン処理を開始する。なお、メイン処理の開始時において、アノード極１１Ａに対する水素の供給は停止され、且つ、カソード極１２Ａに対する空気の供給は停止されている。又、電力調整部４４は、燃料電池システム１の出力電力を０Ｗとする。燃料電池システム１の接続端子１９に外部負荷Ｌｄが接続される。
【0053】
図１１に示すように、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの発電を開始させる為の入力操作を、入力部６３を介して検出したか判定する（Ｓ１１）。ＣＰＵ６１は、入力操作を検出しない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、処理をＳ１１に戻し、入力操作を継続して待ち受ける。ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの発電を開始させる為の入力操作を、入力部６３を介して検出した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、処理をＳ１３に進める。
【0054】
ＣＰＵ６１は、燃料供給部１Ｂのポンプ３１及び水素供給弁２１Ａを制御し、アノード極１１Ａへの水素の供給を開始する。ＣＰＵ６１は、水素の供給量が初期供給量Ｒｉとなるように水素供給弁２１Ａを制御する。なお、初期供給量Ｒｉは、後述するＳ１５の処理に伴い燃料電池１Ａの発電を開始させる為に必要な水素の量であって、燃料電池１Ａに水素を充填させる為に必要な量である。又、初期供給量Ｒｉは、アノード極１１Ａに付着した水を水素により吹き飛ばして除去することが可能な量である。具体的には、初期供給量Ｒｉは、パージ１回につき１ノルマルリットル（１ＮＬ／回）である。
【0055】
ＣＰＵ６１は、空気供給部１Ｃのポンプ３２及び空気供給弁２３Ａを制御し、カソード極１２Ａへの空気の供給を開始する（Ｓ１３）。ＣＰＵ６１は、空気の供給量が初期供給量Ｑｉとなるように空気供給弁２３Ａを制御する。なお、初期供給量Ｑｉは、後述するＳ１５の処理に伴い燃料電池１Ａの発電を開始させる為に必要な空気の量であって、燃料電池１Ａに空気を充填させる為に必要な量である。又、初期供給量Ｑｉは、カソード極１２Ａに付着した水を空気により吹き飛ばして除去することが可能な量である。
【0056】
これにより、カソード極１２Ａに付着した水は吹き飛ばされ、燃料電池システム１から外部負荷Ｌｄに対する電力の供給が開始される前にカソード極１２Ａから除去される。又、燃料電池１Ａは、燃料供給部１Ｂによりアノード極１１Ａに水素が供給され、空気供給部１Ｃによりカソード極１２Ａに空気が供給されることにより、発電を開始する。燃料電池１Ａの出力端子１８間にスタック電圧が印加される。
【0057】
ＣＰＵ６１は、電力調整部４４を制御し、燃料電池システム１の出力電力を０Ｗから初期電力Ｗｉに切り替える（Ｓ１５）。これにより、燃料電池システム１の接続端子１９に接続した外部負荷Ｌｄに対する電力の供給が開始される。
【0058】
ＣＰＵ６１は発電処理（図１２参照）を開始させ（Ｓ１７）、次いで出力制御処理を開始させる（Ｓ１９）。発電処理及び出力制御処理は、メイン処理と並行して実行される。
【0059】
ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの発電を終了させる為の入力操作を、入力部６３を介して検出したか判定する（Ｓ２１）。ＣＰＵ６１は、入力操作を検出しない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、処理をＳ２１に戻す。この間、発電処理及び出力制御処理が継続される。
【0060】
図１２を参照し、発電処理について説明する。ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａが発電している状態で、アノード極１１Ａに対する水素の供給量が発電供給量Ｒｖとなるように水素供給弁２１Ａを制御する（Ｓ４１）水素の発電供給量Ｒｖは、通常の発電に必要な水素の供給量である。発電供給量Ｒｖは、初期供給量Ｒｉ以上である（Ｒｖ≧Ｒｉ）。又、ＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第１供給量Ｑ１となるように空気供給弁２３Ａを制御する（Ｓ４１）。第１供給量Ｑ１は、初期供給量Ｑｉと略同じ量である。
【0061】
ＣＰＵ６１は、温度計測部５２により計測された熱媒体の温度を取得する。ＣＰＵ６１は、取得した熱媒体の温度が閾値Ｔｈ以上か判定する（Ｓ４３）。ＣＰＵ６１は、熱媒体の温度が閾値Ｔｈ未満であると判定した場合（Ｓ４３：ＮＯ）、処理をＳ４１に戻す。ＣＰＵ６１は、アノード極１１Ａに対する水素の供給量が発電供給量Ｒｖとなるように水素供給弁２１Ａを継続して制御する（Ｓ４１）。又、ＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第１供給量Ｑ１となるように空気供給弁２３Ａを継続して制御する（Ｓ４１）。
【0062】
なお、燃料電池１Ａの発電が継続されることにより燃料電池１Ａの温度は上昇し、熱媒体の温度も上昇する。ＣＰＵ６１は、熱媒体の温度が閾値Ｔｈ以上であると判定した場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、処理をＳ４５に進める。ＣＰＵ６１は、空気供給弁２３Ａを制御し、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を、第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで、１秒ごとにステップ量ｑずつ段階的に低下させる（Ｓ４５）。なお、第２供給量Ｑ２は、第１供給量Ｑ１の１／２の値である。つまり、カソード極１２Ａに対する空気の供給量は、段階的に低下することで、最終的に第１供給量Ｑ１の半分になる。
【0063】
ＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第２供給量Ｑ２まで低下した後、温度計測部５２により計測された熱媒体の温度を取得する。ＣＰＵ６１は、取得した熱媒体の温度が閾値Ｔｈ以上か判定する（Ｓ４７）。ＣＰＵ６１は、熱媒体の温度が閾値Ｔｈ以上であると判定した場合（Ｓ４７：ＹＥＳ）、アノード極１１Ａに対する水素の供給量が発電供給量Ｒｖとなるように水素供給弁２１Ａを継続して制御する（Ｓ４９）。又、ＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第２供給量Ｑ２となるように空気供給弁２３Ａを継続して制御する（Ｓ４９）。
【0064】
ＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第２供給量Ｑ２まで低下した後、熱媒体の温度が閾値Ｔｈ未満であると判定した場合（Ｓ４７：ＮＯ）、処理をＳ４１に戻す。ＣＰＵ６１は、アノード極１１Ａに対する水素の供給量が発電供給量Ｒｖとなるように水素供給弁２１Ａを継続して制御する（Ｓ４１）。又、ＣＰＵ６１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第１供給量Ｑ１となるように空気供給弁２３Ａを制御する（Ｓ４１）。これにより、カソード極１２Ａに対する空気の供給量は増加し、第２供給量Ｑ２の２倍になる。
【0065】
図１３を参照し、出力制御処理について説明する。ＣＰＵ６１は、電圧計測部５１により計測されたスタック電圧を取得する。ＣＰＵ６１は、取得したスタック電圧に基づき、複数のセル１０の１個当たりの電圧（以下、「セル電圧」という。）を特定する。ＣＰＵ６１は、特定したセル電圧が閾値Ｖｈ１未満であるか判定する（Ｓ６１）。ＣＰＵ６１は、セル電圧が閾値Ｖｈ１未満であると判定した場合（Ｓ６１：ＹＥＳ）、出力電力が、現時点での出力電力から所定の電力（以下、「減少幅Ｗｄ」という。）を減算した値となるよう電力調整部４４を制御する（Ｓ６３）。本実施形態において、減少幅Ｗｄは１０Ｗである。ＣＰＵ６１は、処理をＳ６９に進める。
【0066】
ＣＰＵ６１は、特定したセル電圧が閾値Ｖｈ１以上であると判定した場合（Ｓ６１：ＮＯ）、特定したセル電圧が閾値Ｖｈ２以上であるか判定する（Ｓ６５）。ＣＰＵ６１は、特定したセル電圧が閾値Ｖｈ２以上であると判定した場合（Ｓ６５：ＹＥＳ）、出力電力が、現時点での出力電力に増加幅Ｗｕを加算した値となるよう電力調整部４４を制御する（Ｓ６７）。なお、本実施形態において増加幅Ｗｕは１Ｗに設定されているため、増加幅Ｗｕは減少幅Ｗｄ（１０Ｗ）の１／１０となる。ＣＰＵ６１は、処理をＳ６９に進める。
【0067】
ＣＰＵ６１は、特定したセル電圧が閾値Ｖｈ２未満であると判定した場合（Ｓ６５：ＮＯ）、現時点での出力電力を変更することなく、処理をＳ６９に進める。
【0068】
ＣＰＵ６１は、Ｓ６１～Ｓ６７の処理が完了してから２秒経過したか判定する（Ｓ６９）。ＣＰＵ６１は、Ｓ６１～Ｓ６７の処理が完了してから２秒経過していないと判定した場合（Ｓ６９：ＮＯ）、処理をＳ６９に戻す。ＣＰＵ６１は、Ｓ６１～Ｓ６７の処理が完了してから２秒経過したと判定した場合（Ｓ６９：ＹＥＳ）、処理をＳ６１に戻す。
【0069】
図１１に示すように、ＣＰＵ６１は、燃料電池１Ａの発電を終了させる為の入力操作を検出した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、Ｓ１７の処理によって開始した発電処理を終了させ（Ｓ２３）、Ｓ１９の処理によって開始した出力制御処理を終了させる（Ｓ２５）。
【0070】
ＣＰＵ６１は、電力調整部４４を制御し、燃料電池システム１の出力電力を０Ｗに切り替える（Ｓ２７）。これにより、燃料電池システム１の接続端子１９に接続された外部負荷Ｌｄに対する電力の供給は停止される。ＣＰＵ６１は、燃料供給部１Ｂのポンプ３１及び水素供給弁２１Ａを制御し、アノード極１１Ａへの水素の供給を停止させる（Ｓ２９）。ＣＰＵ６１は、空気供給部１Ｃのポンプ３２及び空気供給弁２３Ａを制御し、カソード極１２Ａへの空気の供給を停止させる（Ｓ２９）。これにより、燃料電池１Ａの発電は停止される。ＣＰＵ６１は、メイン処理を終了させる。
【0071】
＜本実施形態の作用、効果＞
燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電開始後、燃料電池１Ａを加熱する熱媒体の温度が閾値Ｔｈ未満である場合（Ｓ４３：ＮＯ）、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を第１供給量Ｑ１とする（Ｓ４１）。第１供給量Ｑ１は、第２供給量Ｑ２の２倍の値である。大量の空気がカソード極１２Ａに供給されることにより、カソード極１２Ａに付着した水は吹き飛ばされカソード極１２Ａから除去される。従って燃料電池システム１は、フラッディングが発生しやすい低温環境の場合において、大量の空気を供給することによってフラッディングの発生を抑制できる。
燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電開始後、燃料電池１Ａを加熱する熱媒体の温度が閾値Ｔｈ未満である場合（Ｓ４３：ＮＯ）、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を第１供給量Ｑ１とする（Ｓ４１）。第１供給量Ｑ１は、第２供給量Ｑ２の２倍の値である。大量の空気がカソード極１２Ａに供給されることにより、カソード極１２Ａに付着した水は吹き飛ばされカソード極１２Ａから除去される。従って燃料電池システム１は、フラッディングが発生しやすい低温環境の場合において、大量の空気を供給することによってフラッディングの発生を抑制できる。
【0072】
一方、燃料電池システム１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量が第１供給量Ｑ１である状態で、熱媒体の温度が閾値Ｔｈ以上になった場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を、第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで段階的に低下させる（Ｓ４５）。第２供給量Ｑ２は、第１供給量Ｑ１の１／２の値である。これにより燃料電池システム１は、通常の発電に必要な第２供給量Ｑ２となるように空気の供給量を変化させる過程で、空気の供給量の低下に応じて燃料電池１Ａの電圧が急落し発電が停止することを抑制できる。
【0073】
発電処理（図１２参照）の開始直後、Ｓ４１の処理によって第１供給量Ｑ１の空気がカソード極１２Ａに供給される。つまり、燃料電池１Ａの発電の開始直後は、熱媒体の温度に関わらず、第１供給量Ｑ１の空気がカソード極１２Ａに供給されることになる。これにより燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電開始時においてカソード極１２Ａに付着した水を空気で吹き飛ばし、カソード極１２Ａから水を除去できる。このため燃料電池システム１は、水がカソード極１２Ａに付着することに伴いフラッディングが発生して発電効率が低下することを、燃料電池１Ａによる発電開始時から抑制できる。
【0074】
空気供給部１Ｃの空気供給弁２３Ａは、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を、１秒ごとにステップ量ｑずつ段階的に第２供給量Ｑ２まで低下させる。燃料電池システム１は、空気供給弁２３Ａを用いることで空気の供給量をステップ量ｑずつ変化させることにより、空気の供給量の制御を簡易な構成で精度良く行うことができる。又、燃料電池システム１は、１秒ずつ段階的に空気の供給量を低下させることにより、カソード極１２Ａに対する空気の供給量の時間変化を一定にできる。以上により、燃料電池システム１は、空気の供給量の低下に応じて燃料電池１Ａの電圧が急落し発電が停止することを適切に抑制できる。
【0075】
燃料電池システム１は、スタック電圧が閾値Ｖｈ１未満の場合（Ｓ６１：ＹＥＳ）、出力電力を減少幅Ｗｄ分減少させる（Ｓ６３）。これにより燃料電池システム１は、燃料電池１Ａのスタック電圧が低い状態で大きな電力が外部負荷Ｌｄに供給されてフラッディングが生じることを抑制できる。又、燃料電池システム１は、スタック電圧が閾値Ｖｈ２よりも大きい場合、出力電力を増加幅Ｗｕ分増加させる（Ｓ６７）。これにより燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電能力を効率良く利用して外部負荷Ｌｄに電力を供給できる。
【0076】
なお、燃料電池システム１は、２つの閾値（閾値Ｖｈ１、Ｖｈ２）により出力電力の増減の要否を判断することによって、スタック電圧が閾値Ｖｈ１以上閾値Ｖｈ２未満の場合における出力電力を安定化させることができる。又、減少幅Ｗｄと比べて増加幅Ｗｕを小さくすることにより、燃料電池システム１は、出力電力が急激に増加することによりフラッディングが生じることを抑制できる。更に、減少幅Ｗｄを増加幅Ｗｕの１０倍とすることにより、燃料電池システム１は、スタック電圧が閾値Ｖｈ１未満の場合において出力電力を急速に減少させる。従って、燃料電池システム１は、フラッディングが生じる可能性が高い状態を、迅速に解消できる。
【0077】
＜変形例＞
本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。燃料電池１Ａは、水素以外の物質が燃料供給部１Ｂにより供給されることで発電してもよい。例えば燃料供給部１Ｂは、メタノールを供給することにより燃料電池１Ａを発電してもよい。温度計測部５２は、加熱部２５Ａを流れる熱媒体の温度を計測してもよい。
本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。燃料電池１Ａは、水素以外の物質が燃料供給部１Ｂにより供給されることで発電してもよい。例えば燃料供給部１Ｂは、メタノールを供給することにより燃料電池１Ａを発電してもよい。温度計測部５２は、加熱部２５Ａを流れる熱媒体の温度を計測してもよい。
【0078】
燃料電池システム１には、水素供給路２１と水素排出路２２とを連結する循環路が更に設けられてもよい。循環路は、水素排出路２２を介して排出される水素の一部を水素供給路２１に向けて流すことにより、水素を循環させてもよい。水素供給源４１から供給される水素の元圧が十分高い場合は、ポンプ３１は設けられなくてもよい。
【0079】
燃料電池システム１は、カソード極１２Ａに付着した付着物のうち、カソード極１２Ａに対して科学的に結合した付着物（有機ガス、ＮＯｘ・ＳＯｘ等）を除く付着物（埃、ごみ等）を、空気供給部１Ｃによる空気の供給によって除去してもよい。
【0080】
上記実施形態における閾値Ｔｋ、Ｔｈ、Ｖｈ１、Ｖｈ２の具体例は一例であり、他の値が適宜設定されてもよい。
【0081】
燃料電池システム１は、カソード極１２Ａへの空気の供給を開始して燃料電池１Ａの発電を開始する場合（Ｓ１３）、空気の供給量が第１供給量Ｑ１となるよう制御してもよい。
【0082】
燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電直後、熱媒体の温度が閾値Ｔｈ以上の場合には、空気供給部１Ｃによる空気の供給量を、初期供給量Ｑｉから第２供給量Ｑ２まで段階的に低下させてもよい。即ち、燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電直後、空気供給部１Ｃによる空気の供給量を常に第１供給量Ｑ１としなくてもよい。
【0083】
燃料電池システム１は、Ｓ４５の処理を行う場合において、カソード極１２Ａに供給する空気を、第１供給量Ｑ１の所定の割合ずつ第２供給量Ｑ２まで段階的に低下させてもよい。例えば割合として、０．４％が設定されてもよい。この場合、Ｑ１×０．００４の算出結果が、割合量Ｕとして算出されてもよい。燃料電池システム１は、Ｓ４５の処理を行う場合、空気供給部１Ｃによる空気の供給量を、第１供給量Ｑ１から割合量Ｕずつ段階的に低下させてもよい。これにより燃料電池システム１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を、一定の割合で段階的に低下させることができるので、空気の供給量の低下に応じてスタックの電圧が急落し発電が停止することを適切に抑制できる。
【0084】
燃料電池システム１は、Ｓ４５の処理を行う場合において、カソード極１２Ａに供給する空気を第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで段階的に低下させる場合のステップ量ｑを可変としてもよい。つまり、燃料電池システム１は、空気の供給量を、それぞれ異なるステップ量ずつ段階的に低下させてもよい。燃料電池システム１は、空気の供給量をステップ量ｑずつ段階的に低下させる場合の周期を、１秒以外としてもよい。例えば、この周期は２秒でもよい。又、燃料電池システム１は、カソード極１２Ａに対する空気の供給量を、第１供給量Ｑ１から第２供給量Ｑ２まで線形変化させてもよい。つまり、カソード極１２Ａに対する空気の供給量の変化は、段階的でなくてもよい。
【0085】
燃料電池システム１は、Ｓ１３の処理によって燃料電池１Ａの発電が開始される前に、アノード極１１Ａに対する水素の供給を行わず、カソード極１２Ａに対する空気の供給のみを行ってもよい。即ち燃料電池システム１は、燃料電池１Ａの発電が開始される前に、空気供給部１Ｃによりカソード極１２Ａに空気を供給し、カソード極１２Ａに付着した水を除去してもよい。これにより、燃料電池システム１は、カソード極１２Ａに付着した水を、燃料電池１Ａの発電開始前に除去できる。このため燃料電池システム１は、水がカソード極１２Ａに付着してフラッディングが発生することに伴う発電効率の低下を、燃料電池１Ａの発電開始前に抑制できる。
【0086】
第１供給量Ｑ１と第２供給量Ｑ２との関係は、上記実施形態に限定されない。第１供給量Ｑ１は、第２供給量Ｑ２よりも大きいという条件を満たす範囲で、適宜変更されてもよい。例えば第１供給量Ｑ１は、第２供給量Ｑ２の１．５倍、３倍等でもよい。
【0087】
燃料電池システム１は、出力制御処理において、セル電圧が閾値Ｖｈ１以上の場合（Ｓ６１：ＮＯ）、セル電圧と閾値Ｖｈ２との大小関係に関わらず、出力電力を増加させる処理を実行してもよい。出力電圧の減少幅Ｗｄ及び増加幅Ｗｕのそれぞれの値は、上記実施形態に限定されない。それぞれの値は、減少幅Ｗｄが増加幅Ｗｕよりも大きいという条件を満たす範囲で、適宜変更されてもよい。例えば、減少幅Ｗｄは増加幅Ｗｕの１０倍より大きくてもよい。また、例えば、減少幅Ｗｄが１０Ｗに設定され、増加幅Ｗｕが５Ｗに設定されてもよい。又、減少幅Ｗｄが増加幅Ｗｕよりも小さくてもよい。燃料電池システム１は、出力制御処理を行わなくてもよい。
【0088】
＜その他＞
Ｓ１７の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「発電処理」の一例である。Ｓ４１の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「第１供給処理」「開始時供給処理」の一例である。Ｓ４５、Ｓ４９の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「第２供給処理」の一例である。Ｓ４５の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「段階供給処理」の一例である。Ｓ４９の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「継続供給処理」の一例である。Ｓ１３の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「発電前供給処理」の一例である。Ｓ６３の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「電力減少処理」の一例である。Ｓ６７の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「電力増加処理」の一例である。閾値Ｔｈは、本発明の「閾値温度」の一例である。閾値Ｖｈ１は、本発明の「第１閾値電圧」の一例である。閾値Ｖｈ２は、本発明の「第２閾値電圧」の一例である。
Ｓ１７の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「発電処理」の一例である。Ｓ４１の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「第１供給処理」「開始時供給処理」の一例である。Ｓ４５、Ｓ４９の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「第２供給処理」の一例である。Ｓ４５の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「段階供給処理」の一例である。Ｓ４９の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「継続供給処理」の一例である。Ｓ１３の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「発電前供給処理」の一例である。Ｓ６３の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「電力減少処理」の一例である。Ｓ６７の処理を行うＣＰＵ６１は、本発明の「電力増加処理」の一例である。閾値Ｔｈは、本発明の「閾値温度」の一例である。閾値Ｖｈ１は、本発明の「第１閾値電圧」の一例である。閾値Ｖｈ２は、本発明の「第２閾値電圧」の一例である。
【符号の説明】
【0089】
１ ：燃料電池システム
１Ａ ：燃料電池
１Ｂ ：燃料供給部
１Ｃ ：空気供給部
５ ：温度計測部
６ ：制御装置
１０ ：セル
１１Ａ ：アノード極
１２Ａ ：カソード極
５２ ：温度計測部
１Ａ ：燃料電池
１Ｂ ：燃料供給部
１Ｃ ：空気供給部
５ ：温度計測部
６ ：制御装置
１０ ：セル
１１Ａ ：アノード極
１２Ａ ：カソード極
５２ ：温度計測部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】