JP5181709B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、単セル上の複数の測定点において電圧を検出し、検出電圧に基づいて発電状態が異常であるか否かを判定する燃料電池システムがある（特許文献１を参照）。

また、燃料電池スタックの両端のセルの電圧を測定し、測定結果に基づいて供給ガスの湿度を制御する燃料電池システムがあり（特許文献２を参照）、燃料電池の燃料ガス出口と酸化剤ガス出口の電圧を検出することで、水詰まりを検出する燃料電池システムがあり（特許文献３を参照）、最下流に接続されたモジュールの電極板に隣接したセルの出力と、他の単位セルの出力とを検出し、検出値に基づいて燃料ガス流路に溜まった水量を判定する燃料電池システムがある（特許文献４を参照）。
特開２００５−２０９４５６号公報 特開２００２−２４６０４８号公報 特開２００６−２４４９５２号公報 特開２００６−３３８９２１号公報

燃料電池システムでは、効率的な発電を行うために、燃料電池内の含水量が適切な量であり、また、燃料電池内において水が均一に分布していることが好ましい。また、運転継続に従って水がガス拡散層または流路まで溢れるフラッディングが発生した場合、発電が不可能となる場合があり、高温運転時には燃料電池内で一時的に水不足が生じる可能性もある。更に、氷点下起動を可能にするためには、燃料電池内の水分量が、通常の運転時よりは少なく、且つ完全に乾燥しない程度の水分量であることが好ましい。このため、燃料電池を運転するにあたっては、効率的な発電を行う目的や、問題の発生を防止する目的のために、燃料電池内の含水量が適切に制御されることが好ましい。

しかし、燃料電池では、ガスの流れ方向や、ガスの加湿量、発電に伴う生成水、燃料電池内の温度差、等の原因から、スタックの積層方向および各セルの面内における水の分布の不均一、即ち燃料電池内の水の偏在が生じる。このため、含水量の制御を適切に行うためには、燃料電池内の水の分布を知ることが好ましい。

本発明は、上記した問題に鑑み、燃料電池内の水分布の傾き、即ち燃料電池における水の偏在を推定可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、燃料電池システムに以下の手段を備えることとした。即ち、本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池における複数の計測箇所で電圧を計測する計測手段と、前記計測手段によって計測された電圧のうち、異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される、前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、前記燃料電池の、前記複数の計測箇所間における水分の偏在状況を推定する推定手段と、を備える、燃料電池システムである。

計測手段は、燃料電池における、含水量に差が発生する可能性がある少なくとも二箇所
において、電圧を計測する。燃料電池による出力電圧は、計測箇所の含水量によって左右される。これは、燃料電池の十分に湿潤な箇所は発電効率が高く、燃料電池の乾燥した箇所は発電効率が低いためである。このため、推定手段は、異なる計測箇所において計測された電圧の差から、計測箇所間の含水量の差を推定し、これによって、燃料電池における水分の偏在状況を推定することが出来る。

なお、ここで、水分の偏在状況の推定には、燃料電池において水分の偏在が発生しているか否かを推定することや、燃料電池において発生している水分の偏在の程度（含水量の傾き）を推定することが含まれる。また、複数の計測箇所としては、単一のセルにおける異なる箇所や、スタックにおける異なるセルが挙げられる。水分の偏在を推定したい領域や範囲に応じて計測箇所を適宜設定することで、単一セルにおける水分の偏在や、スタックの積層方向における水分の偏在等、燃料電池内の様々な領域における水分の偏在を推定することが出来る。

また、前記推定手段は、前記電圧の差が、所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定してもよい。即ち、本発明に拠れば、電圧差が所定の閾値以上である場合に、計測箇所間で所定以上の含水量の差が発生しており、燃料電池において水分の偏在が発生していることを推定することが可能である。

ここで用いられる閾値としては、予め燃料電池において計測された電圧の差と含水量の差との関係に基づいて、含水量の差が水分の偏在が発生していると判断可能な程度の差に至った場合に計測された電圧の差、等が採用されてよい。但し、閾値は、実測値に基づいて定められる方法や、理論値に基づいて定められる方法等、実施の態様に応じて適宜最適な方法を用いて定められることが好ましい。また、どの程度の含水量の差が発生した時点で水分の偏在が発生したと判定するかの基準も、その後の水分量の制御処理の目的等、実施の態様に応じて異なってよい。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記推定手段によって推定された前記燃料電池における水分の偏在状況に基づいて、該燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御する制御手段を更に備えてもよい。これによって、水分の偏在の解消による発電効率の向上や、水分量の最小化による氷点下起動性の向上、負荷変動の緩和によるセル落ちの防止等が可能となる。

ここで、前記制御手段は、例えば、前記燃料電池へ供給されるガスの湿度、ガスの流量およびガス圧のうち少なくとも何れか一を調整することで、前記燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御することが出来る。より具体的には、ガスの湿度の調整によって、燃料電池に供給される水分の量を調整し、燃料電池の含水量を直接増減させることが出来る。また、ガスの流量またはガス圧の調整によって、燃料電池から持ち去られる水分量の調整、または燃料電池内における水分の移動の促進を行い、燃料電池における水分の偏在状況を制御することが出来る。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記推定手段によって、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定された場合に、該燃料電池における二極のうち、何れの極が反対極より乾燥している乾燥極であり、また、何れの極が反対極より湿潤な湿潤極であるかを判定する判定手段を更に備えてもよい。

これによって、単一セルの面における水分の偏在状況や、スタックの積層方向におけるセル間の水分の偏在状況に加えて、水分の偏在が発生しているセルにおいて、何れの極（アノードまたはカソード）が乾燥極であり、また湿潤極であるかを判定出来る。このため、本発明に拠れば、より詳細に水分の偏在状況を推定することが可能となり、また、この
推定結果に基づいて、制御手段がより精度の高い水分の偏在状況の制御を行うことが可能となる。

ここで、前記判定手段は、例えば、前記二極の夫々から排出されるオフガスの露点に基づいて、二極のうち何れの極が前記乾燥極であり、また前記湿潤極であるかを判定することが出来る。

また、前記制御手段は、前記判定手段によって前記乾燥極であると判定された極へ供給されるガスの流量を増やすことで、前記湿潤極から該乾燥極への水分の移動を促進してもよいし、前記判定手段によって前記乾燥極であると判定された極のガス圧を前記湿潤極のガス圧に対して下げることで、該湿潤極から該乾燥極への水分の移動を促進してもよい。

乾燥極へ供給されるガスの流量が増えること、または乾燥極のガス圧が湿潤極のガス圧に対して低くなることで、乾燥極の反対極（湿潤極）から乾燥極への、膜電極接合体を介した水分の透過が促進される。これによって、乾燥極と湿潤極との間の水分量の差、即ち水分の偏在を緩和することが出来る。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させて再びアノード極に供給する循環手段と、前記循環手段によって循環される前記燃料オフガスを所定のタイミングで外部にパージするパージ手段と、前記パージ手段によるパージに伴って、前記燃料電池から排出された燃料オフガスに比べて乾燥した燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記湿潤極が燃料ガスが供給される極である場合、前記パージ手段によるパージ量またはパージ頻度を上げることで、該湿潤極に供給される前記燃料ガスの湿度を下げ、該湿潤極の水分量を減らしてもよい。

ここで、供給手段によって供給される燃料ガスは、一般に、燃料タンクより供給される燃料ガスである。燃料電池から排出された燃料オフガスは、加湿されたこと、または燃料電池内において水分を含んだことにより、燃料タンク等から供給される燃料ガスに比べて湿潤である。そこで、本発明では、燃料オフガスを循環させる燃料電池システムにおいて、湿潤な燃料オフガスをパージする頻度または量を増やし、燃料オフガスに比べて乾燥した燃料ガスを供給する頻度または量を増やすことで、水分の偏在によって湿潤となっている極の水分量を減らすことを可能とした。

また、前記計測手段は、単一のセルにおける、供給されるガスの入口近傍における電圧および出口近傍における電圧を計測し、前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、単一のセルにおける水分の偏在状況を推定してもよい。そして、ここで前記制御手段は、前記推定手段によって、ガスの入口近傍が出口近傍に比べて乾燥していると推定された場合に、供給されるガスの流量を増やすことで、反対極から前記入口近傍への水分の移動を促進してもよい。

単一のセルにおいて、ガスの入口近傍と出口近傍との間で水分の偏在が発生しており、且つガスの入口近傍が出口近傍に比べて乾燥していると推定された場合、ガス入口から供給されるガスの流量を増やすことで、反対極から乾燥部分（入口近傍）への、膜電極接合体を介した水分の透過が促進される。これによって、ガスの入口近傍と出口近傍との間の水分量の差、即ち水分の偏在を緩和することが出来る。

また、前記燃料電池は、複数のセルが積層された燃料電池であり、前記計測手段は、異なるセルにおける電圧を計測し、前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、前記積層の方向における、電圧が計測されたセル間の水分の偏在状況を推定してもよい。そし
て、ここで前記制御手段は、前記推定手段によって前記複数のセルの積層方向における水分の偏在が発生していると推定された場合、前記燃料電池へ供給されるガスの流量またはガス圧を変動させる際に、流量またはガス圧を緩やかに変動させてもよい。

セルの積層方向において水分の偏在が発生している場合、運転を継続すると、水分量の多いセルにおいてフラッディングが発生し、セルにおける発電が行われなくなる現象、所謂セル落ちが発生する可能性が高くなる。このため、本発明では、積層方向における水分の偏在が発生していると推定された場合に、燃料電池へ供給されるガスの流量またはガス圧の変動速度を下げる、即ち燃料電池の運転における負荷変動を緩やかにする。これによって、本発明に拠れば、水分量の多いセルにもガスが浸透し、所謂セル落ちを防止することが可能となる。

また、前記推定手段は、前記燃料電池に対して供給されるガスの流量が、該燃料電池が発電を行うにあたって適正な流量である場合に、前記電圧の差に基づいて、前記燃料電池における水分の偏在状況を推定してもよい。

供給されるガスの流量が発電にあたって適正な流量である場合に限定して、水分の偏在状況を推定することで、電圧の変動要因としてのガスの流量を除外し、電圧差に基づいて含水量の差を推定するのに適した状態で、水分の偏在を推定することが可能となる。

本発明によって、燃料電池における水の偏在を推定可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態における燃料電池システムの構成の概略を示した図である。燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料ガスを貯蔵するガスタンク２１と、燃料ガス通路２２と、循環通路２５と、燃料オフガス通路３０と、空気ブロワ５１と、酸化ガス通路５２と、酸化オフガス通路５３と、計測装置６０と、加湿器７０と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する）９０と、を備える。燃料電池システムは、ガスタンク２１より燃料ガス通路２２を通って供給される燃料ガスと、空気ブロワ５１より酸化ガス通路５２を通って供給される酸化ガスと、による電気化学反応を燃料電池１内で進行させることで、発電を行う。

燃料ガス通路２２には、減圧弁２３及び流量制御弁２４が設けられている。ガスタンク２１から燃料電池１に供給される燃料ガスは、減圧弁２３によって所定の圧力に減圧され、流量制御弁２４によって流量を調整されて、燃料ガス通路２２を通って燃料電池１に供給される。燃料電池１内を通過した燃料ガスは、循環通路２５へ排出される。

循環通路２５には、循環ポンプ２６が設けられている。循環ポンプ２６によって、燃料電池１から排出された燃料ガスを燃料ガス通路２２に戻し、燃料電池１に単位時間当たりに供給される水素ガス流量を増やすことが可能となる。

燃料オフガス通路３０には、パージ弁３１が設けられている。燃料ガスは、循環によってガス内の水素ガス濃度が低下するため、パージ弁３１を制御することによって、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを循環通路２５から燃料オフガス通路３０に排出し、流量制御弁２４を制御することによって、ガスタンク２１から水素ガス濃度の高い燃料ガスを供給する。

計測装置６０は、燃料電池１の各セル１０（図２を参照）の電圧および後述するセル面における所定箇所の電圧を含む、燃料電池１の各種状態を計測する。計測装置６０によって計測された各セル１０の電圧等は、ＥＣＵ９０へ送られる。

ＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、燃料電池システム全体の各要素を制御する。パージ弁３１、減圧弁２３、および流量制御弁２４は、ＥＣＵ９０によって開閉制御される。ＥＣＵ９０は、燃料電池内の推定水分布を含む燃料電池の状態に基づいて、燃料電池の発電効率が最適となるようにパージ弁３１、減圧弁２３、および流量制御弁２４を制御する。

ＥＣＵ９０は、計測装置６０によって計測された各セル１０の電圧等に基づいて、燃料電池１のスタックの積層方向またはセル面における水の偏在を判定し、この判定の結果に従って、燃料電池内の水分量の制御を行う。即ち、ＥＣＵ９０は、本発明の推定手段、判定手段および制御手段に相当する。

図２は、本実施形態における燃料電池１を構成するセル１０の概略断面図である。燃料電池１は、セル１０が複数積層されることで構成されたスタックを有し、夫々のセル１０は、酸化ガス流路１６を内面に有するカソード側セパレータ１１、カソード側ガス拡散層１２、膜電極接合体１３、アノード側ガス拡散層１４、燃料ガス流路１７を内面に有するアノード側セパレータ１５が順に積層されてなる。そして、燃料電池１は、供給される反応ガスによる電気化学反応を、カソード側触媒層１３ｃ、電解質膜１３ｂ、アノード側触媒層１３ａが積層された膜電極接合体１３において進行させることで、発電を行う。反応ガスは、図示しない燃料タンクより供給される燃料ガスおよび外気より取得されて供給される酸化ガスである。酸化ガスはカソード側ガス拡散層１２に供給され、燃料ガスはアノード側ガス拡散層１４に供給される。

図３は、本実施形態における燃料電池１を構成するセル１０の平面図である。セル１０に供給された酸化ガスは、セル１０の面上を蛇行するように形成された酸化ガス流路１６を通ってカソード側ガス拡散層１２へ拡散される。同様に、セル１０に供給された燃料ガスは、セル１０の面上を蛇行するように形成された燃料ガス流路１７を通ってアノード側ガス拡散層１４へ拡散される。また、酸化ガス流路１６と燃料ガス流路１７とは、酸化ガスと燃料ガスとが互いに対向する方向に流れるように配置されている（所謂カウンターフロー構造）。更に、セル１０には、計測装置６０に接続された電圧計６１、６２および露点計６３、６４が設置される。

ここで、酸化ガス流路１６、カソード側ガス拡散層１２、燃料ガス流路１７およびアノード側ガス拡散層１４は、膜電極接合体１３に対して均一に酸化ガスおよび燃料ガスが拡散され、均一な発電が行われるように考慮された形状を有しているが、それでもなお、水分布の不均一や、発電電圧の不均一、等が生じる。例えば、発電によって生成水が生じるカソード側では、入口側からガスが流入してカソード側の水を移動させるため、通常、酸化ガス流路１６の入口付近と出口付近とを比較すると出口付近が湿潤となり、入口付近が相対的に乾燥する。また、セル１０の外延付近は、中心部に比べて放熱の影響で温度が低くなり易く、これによって、セル１０における外側と内側において含水量に差が発生する。

電圧計６１および電圧計６２は、セル面の所定の箇所における発電の電圧を計測することができる位置に設けられる。本実施形態において、電圧計６１は、酸化ガス流路１６の入口付近（即ち、燃料ガス流路１７の出口付近）における電圧（以下、電圧１と称する）を計測できる位置に設けられる。同様に、電圧計６２は、酸化ガス流路１６の出口付近（
即ち、燃料ガス流路１７の入口付近）における電圧（以下、電圧２と称する）を計測できる位置に設けられる。そして、本実施形態に係る燃料電池システムは、上記単一セル内での水の偏在を、電圧１と、電圧２との電圧差に基づいて判定する。なお、本実施形態では、電圧計をガスの出入口近傍に設けることとしているが、燃料電池１における水分の偏在は、ガスの流れとは関係なく発生する場合もある。このため、電圧計の設置箇所はガス流路の出入口付近に限定されるものではなく、実施の形態および水分の偏在を推定したい箇所に応じて適宜決定されることが好ましい。

露点計６３、６４は、オフガスの露点を計測可能な位置に設けられる。露点計６３は、燃料ガス流路１７の出口付近における燃料オフガスの露点を計測できる位置に設けられる。また、露点計６４は、酸化ガス流路１６の出口付近における酸化オフガスの露点を計測できる位置に設けられる。ＥＣＵ９０は、露点計６３、６４による計測結果を受信し、露点計６３、６４が設けられたセル１０において、アノード側とカソード側のどちらの極が乾いているか（乾燥極であるか）を判定する。具体的には、ＥＣＵ９０は、オフガスの露点が飽和点より低い側を乾燥極であると判定する。

図４は、本実施形態における、電圧差と水分布の傾きとの関係を示す図である。縦軸にはセル面上の所定の箇所における水分量を示し、横軸上の２点は電圧計６１による計測箇所および電圧計６２による計測箇所を示す。即ち、図４は、電圧計６２による計測箇所（酸化ガス流路１６の出口付近）から電圧計６１による計測箇所（酸化ガス流路１６の入口付近）にかけて水分布に傾きが生じている様子を示す。

水分布の傾きは、電圧１と電圧２との電圧差が大きいほど大きく、電圧差が小さいほど小さい。これは、フラッディング等が発生しない状態では、一般に電解質膜１３ｂが湿潤であるほど発電効率が高くなるためである。また、フラッディング等が発生しない状態では、電圧計６２の設置箇所における水分量は概ね一定である。また、本実施形態における水分布の推定処理を行うためには、セル１０に対して、発電を行うために十分かつ適切な量の燃料ガスおよび酸化ガスが供給されていることが好ましい。発電を行うために十分かつ適切な量の燃料ガスおよび酸化ガスが供給されている場合、電圧の変動要因として空燃比を除外できるためである。図４の枠線と水分布の傾きを示す線とで囲まれた台形の面積の変化は、電圧差と、セル１０全体に含まれる水分の量であるセル含水量との間に、電圧１と電圧２との電圧差が大きいほどセル含水量が少なく、電圧差が小さいほどセル含水量が多くなるという相関関係があることを示している。

図５は、本実施形態におけるセル１０内の電圧差とセル含水量との関係を示すグラフである。通常、酸化ガス流路１６の出口付近は十分湿潤であるため、電圧差が極小である場合、酸化ガス流路１６の入口付近も十分に湿潤であり、セル含水量は多いと推定される。これに対して、電圧差が大きい場合、酸化ガス流路１６の入口付近が乾燥していると考えられ、セル含水量は少ないと推定される。

そこで、本実施形態におけるＥＣＵ９０は、セル含水量を目標の状態まで制御するために、図５に示した、電圧差（水分布の傾き）とセル含水量との関係を用いる。即ち、セル含水量を最大化したい場合、ＥＣＵ９０は、電圧差または推定される水分布の傾きを監視しながら制御を行い、電圧差または水分布の傾きが最小となるように制御することで、セル含水量を最大化することが出来る。反対に、セル含水量を最小化したい場合、電圧差または水分布の傾きが最大となるように制御すればよい。

図６は、本実施形態における、セル含水量を最大化させる処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、燃料電池１が運転されている状態において、発電効率を最大化させることが好ましい運転環境である場合に、定期的に実行され
る。また、本フローチャートに示された処理は、燃料電池１に設けられた全てのセル１０ごとに実行される。

ステップＳ１０１では、電圧１および電圧２が計測される。電圧計６１および電圧計６２は、設置箇所における電圧を計測し、ＥＣＵ９０へ出力する。その後、処理はステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、処理対象のセル１０において、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されているか否かが判定される。ＥＣＵ９０は、酸化ガス通路５２に設置された計測器（図示は省略する）によって計測された酸化ガス供給量、燃料ガス通路２２に設置された計測器（図示は省略する）によって計測された燃料ガス供給量、および理論空燃比との関係に基づいて、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されているか否かを判定する。

但し、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されている状態とは、燃料ガスの供給量と酸化ガスの供給量との比が理論空燃比に一致する状態には限られない。実際には、燃料電池１における発電効率に応じて、燃料ガスと酸化ガスとの比率は調整される。ガス供給が十分且つ適切であると判定された場合、処理はステップＳ１０３へ進む。ガス供給が十分且つ適切ではないと判定された場合、本フローチャートに示された処理は終了する。これは、電圧の変動要因として空燃比を除外できず、電圧差から水分布の傾きを推定することが困難であるためである。なお、本実施形態では、電圧の変動要因として空燃比を除外するために、ステップＳ１０２に示した処理を実行することとしているが、この処理は省略されてもよい。

ステップＳ１０３では、電圧差に基づいてセル面における水の偏在が推定される。ステップＳ１０１で出力された計測結果を受けたＥＣＵ９０は、電圧１と電圧２との電圧差を算出し、算出された電圧差と、予め設定された閾値とを比較することで、セル面における水の偏在を推定する。この閾値は、セル含水量が最大化されているか否かを判定するための閾値である。電圧差が閾値よりも小さい場合、セル含水量は最大化されており、セル面における水は略均一に分布していると推定される。この場合、含水量を最大化（水分布を均一化）する制御は不要であるため、本フローチャートに示された処理は終了する。これに対して、電圧差が閾値以上である場合、セル含水量は最大化されておらず、セル面において水の偏在（不均一な水分布）が発生していると推定される。この場合、処理はステップＳ１０４へ進み、以降、含水量を最大化（水分布を均一化）する制御が行われる。

ステップＳ１０４およびステップＳ１０５では、含水量を最大化（水分布を均一化）する制御が行われる。ＥＣＵ９０は、加湿器７０を制御することで、低い電圧が検出された方の電圧計６１、６２の設置箇所近傍にあるガス流路入口から供給されるガスへの加湿量を増やす。例えば、酸化ガス流路１６の入口付近の電圧１が、電圧２に比べて低い場合、ＥＣＵ９０は、電圧計６１の設置箇所近傍のガス流路入口から供給されるガスである、酸化ガスへの加湿量を増加させる。

また、ＥＣＵ９０は、空気ブロワ５１または流量制御弁２４を制御することで、露点計６３、６４からの計測結果に基づいてＥＣＵ９０が乾燥極であると判定した極へ供給されるガスの流量を増やす。例えば、ＥＣＵ９０によって、カソード側が乾燥極であると判定された場合、ＥＣＵ９０は、セル１０に供給する酸化ガスの流量を増加させる。

図７は、本実施形態における、ガス流量を増加させることで反対極からの水分移動を促進させる仕組みを示す図である。加湿されたガスの流量が増えることにより、乾燥極における水分の持ち去り量が増加する。すると、反対極（即ち、酸化ガスの流量を増やした場
合には、反対側のアノード側）からの水分の電解質膜１３ｂを介した移動が促進され、結果的に、乾燥極の水分量が増加し、水分布の均一化が行われる。その後、上記ステップＳ１０１からステップＳ１０５の処理は、ステップＳ１０２においてガス供給が十分且つ適切な状態ではないと判定されるか、ステップＳ１０３において電圧差が閾値よりも小さいと判定される（即ち、セル含水量は最大化されており、セル面における水は略均一に分布していると推定される）まで、繰り返される。

図８は、本実施形態における、ガス流量の変化に応じて反対側の触媒層から移動する水分の量が変化する仕組みを示す模式図である。図８には、セル１０の大きさを考慮しない場合の局所的な水分の移動についての、ガスの流量と、触媒層の含水量、および水分の移動量との関係が示されている。図８に示された式のうち、式１は、アノード側における単位時間あたりの水の持ち去り量ｄＱｇ／ｄｔとアノード側入口のガス蒸気圧Ｐｗａとの関係を示す式であり、式２は、アノード側入口のガス蒸気圧とＰｗａと燃料ガス流量ＱＨ２との関係を示す式である。また、式３は、カソード側における単位時間あたりの水の持ち去り量ｄＱｇ／ｄｔとカソード側入口のガス蒸気圧Ｐｗｃとの関係を示す式であり、式４は、カソード側入口のガス蒸気圧とＰｗｃと燃料ガス流量Ｑａｉｒとの関係を示す式である。

なお、図８に示された式のうち、ｓはアノード側触媒層１３ａの含水量、ｕはカソード側触媒層１３ｃの含水量、Ｐｗａはアノード入口ガス蒸気圧、Ｐｗｃはカソード入口ガス蒸気圧、ｋ１は電解質膜の水移動係数、ｋ２、ｋ３はガスの持ち去り係数、Ｖは各層における許容含水量を示す。また、式５は、電解質膜における単位時間あたりの水の移動量Ｑｍを示す式である。

例えば、アノード入口の電圧が低く、アノード入口付近が乾燥していると推定される場合、燃料ガスの流量ＱＨ２を増やすことで、Ｐｗａが減少し（式２を参照）、これに応じて単位時間当たりの水の持ち去り量Ｑｇおよびアノード側触媒層の含水量ｓが減少する（式１を参照）。この結果、電解質膜における単位時間あたりの水の移動量Ｑｍが増加する（式５を参照）。これは、カソード入口の電圧が低い場合についても同様である。即ち、図８に示した模式図によれば、ガスの流量を増やすことで、反対極からの水分の移動が促進されることがわかる。

本実施形態に拠れば、水の偏在（水分布）を推定し、この結果に基づいて、セル面における水分布の均一化を行うことが可能となる。水分布に基づいて水分布の均一化を行うことで、燃料電池の運転効率を最適化することが可能である。

また、上記図６に示したフローチャートでは、電圧差に基づいてセル含水量を最大化することで、燃料電池１の性能を最大化する制御について説明したが、本発明における電圧差に基づく水の偏在の推定は、セル含水量を最小化するための制御に用いられてもよい。セル含水量の最小化は、起動性（特に、氷点下起動性）を向上させる等の目的で、燃料電池の終了処理時等に実行される。

図９は、本実施形態における、セル含水量を最小化させる処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、燃料電池１が運転されている状態において、燃料電池１内の含水量を最小化させる必要がある場合（例えば、運転終了処理時）に実行される。また、本フローチャートに示された処理は、燃料電池１に設けられた全てのセル１０ごとに実行される。

ステップＳ２０１およびステップＳ２０２では、電圧１および電圧２が計測され、また、処理対象のセル１０において、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されてい
るか否かが判定される。処理の詳細は図６において説明したステップＳ１０１およびステップＳ１０２と同様であるため、説明を省略する。その後、処理はステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０３では、電圧差に基づいてセル面における水の偏在が推定される。ステップＳ２０１で出力された計測結果を受けたＥＣＵ９０は、電圧１と電圧２との電圧差を算出し、算出された電圧差と、予め設定された閾値とを比較することで、セル面における水の偏在を推定する。この閾値は、セル含水量が最小化されているか否かを判定するための閾値であり、ステップＳ１０３において用いられた閾値とは異なる値に設定された閾値である。電圧差が閾値よりも大きい場合、セル含水量は最小化されていると推定される。この場合、含水量を最小化する制御は不要であるため、本フローチャートに示された処理は終了する。これに対して、電圧差が閾値以下である場合、セル含水量は最小化されていないと推定される。この場合、処理はステップＳ２０４へ進み、以降、含水量を最小化する制御が行われる。

ステップＳ２０４およびステップＳ２０５では、含水量を最小化する制御が行われる。ＥＣＵ９０は、加湿器７０を制御することで、供給されるガスへの加湿量を減らす。また、ＥＣＵ９０は、空気ブロワ５１または流量制御弁２４を制御することで、供給されるガスの流量を増やす。ここで、一般に、アノード側出口からの水分の持ち去り量に比べて、カソード側出口からの水分の持ち去り量が多いため、少なくとも酸化ガスに対する加湿量を減らし、酸化ガスの流量を増やすことが好ましい。

図１０は、本実施形態における、ガス流量を増加させることでセル含水量を減少させる仕組みを示す図である。乾燥したガスの流量が増えることにより、供給されるガスの流路入口付近における水分の持ち去り量が増加する。すると、湿潤であったガス入口付近の水分量が減少し、セル含水量が減少する。その後、上記ステップＳ２０１からステップＳ２０５の処理は、ステップＳ２０２においてガス供給が十分且つ適切な状態ではないと判定されるか、ステップＳ２０３において電圧差が閾値よりも大きいと判定される（即ち、セル含水量は最小化されていると推定される）まで、繰り返される。

本実施形態に拠れば、水の偏在（水分布）を推定し、この結果に基づいて、セル含水量の最小化を行うことが可能となる。これによって、燃料電池１の起動性（特に、氷点下起動性）を向上させることが可能である。

次に、燃料電池１のスタックの積層方向における水分布の傾き（水の偏在）を推定し、これに基づいて燃料電池１内の含水量を制御する方法について説明する。

図１１は、本実施形態における燃料電池１のスタックの概略断面図である。先述の通り、燃料電池１のスタックは複数のセル１０が積層されてなる。燃料電池１のスタックは、両端に設けられたエンドプレート１８、１９によって挟まれている。燃料電池１のスタックにおいて、ガスは、片方のエンド（供給排出エンド）から供給され、スタック内の全てのセル１０へ分配される。そして、セル１０から排出されたガスは、供給排出エンドから排出される。

ここで、供給排出エンドの反対側エンドでは供給排出口を有する供給排出エンドに比べてガスの流れが弱まること、エンドプレート近傍のセル（以下、「端セル」と称する）はスタック中央付近のセル（以下、「中央セル」と称する）よりも放熱の影響により温度が低く、水が液化しやすいこと、等の原因により、積層方向の水の偏在が発生する。図１２は、供給排出エンドの反対側エンド近傍の端セルにおいて、カソード側からアノード側への水の移動が発生する様子を示す図である。なお、端セルには端セルからの出力電圧を計
測するための電圧計６５が、中央セルには中央セルからの出力電圧を計測するための電圧計６６が設けられる。

図１３は、燃料電池１の運転に伴って変化する含水量と電圧との関係を示す図である。ここでは、燃料電池１の運転開始時点において、端セルが十分に湿潤であり、中央セルが若干乾燥している状態であるものとする（図１３の上のグラフを参照）。その後、燃料電池１の運転が継続されるのに従って、中央セルの含水量が上昇し、発電効率が上昇する。しかし、ある程度中央セルが湿潤となると、その後、徐々に端セルへの水分の偏在が発生する。ここで、端セルへの水の偏在が大きくなるに従って、端セルと中央セルとの間の電圧差が大きくなる。

本発明では、この電圧差が予め設定された閾値以上となったことを契機として、端セルへの水の偏在を推定する。なお、水の偏在が発生した後、水の偏在を解消せずに更に運転を継続すると、端セルではフラッディングが発生し、端セルにおける発電の継続が困難となる（セル落ち等が発生し、端セルにおける電圧が落ちる）。このため、本実施形態に係る燃料電池システムは、端セルと中央セルとの電圧差によって、スタックの積層方向における水の偏在を推定し、フラッディングの発生を予測する。そして、電圧差に基づいて、水の偏在を解消し、フラッディングの発生によるセル落ちを防止する制御を行う。

図１４は、本実施形態における、端セル含水量を下げる処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、燃料電池１が運転されている状態において、発電効率を最大化させることが好ましい運転環境である場合に、定期的に実行される。

ステップＳ３０１では、端セル電圧および中央セル電圧が計測される。電圧計６５、６６は、端セル電圧および中央セル電圧を計測し、ＥＣＵ９０へ出力する。その後、処理はステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２では、燃料電池１において、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されているか否かが判定される。処理の詳細は図６において説明したステップＳ１０２と同様であるため、説明を省略する。その後、処理はステップＳ３０３へ進む。

ステップＳ３０３では、電圧差に基づいてスタックにおける水の偏在が推定される。ステップＳ３０１で出力された計測結果を受けたＥＣＵ９０は、端セル電圧と中央セル電圧との電圧差を算出し、算出された電圧差と、予め設定された閾値とを比較することで、積層方向における水の偏在を推定する。この閾値は、スタックにおける水の偏在を判定するための閾値であり、ステップＳ１０３またはステップＳ２０３において用いられた閾値とは異なる値に設定された閾値である。

この閾値は、燃料電池の運転に伴って端セルにおいて含水量が増加し水分の偏在が発生するタイミングにおける端セルと中央セルとの電圧差に基づいて決定される（図１３を参照）。電圧差が閾値よりも小さい場合、スタックにおける水の偏在は発生していないと推定される。この場合、端セル含水量を下げる制御は不要であるため、本フローチャートに示された処理は終了する。これに対して、電圧差が閾値以上である場合、スタックにおける水の偏在が発生していると推定される。この場合、処理はステップＳ３０４へ進み、以降、端セル含水量を下げる制御が行われる。

ステップＳ３０４では、端セル含水量を下げる制御が行われる。ＥＣＵ９０は、供給ガス流量、パージ頻度、供給ガス圧等を制御することで、端セル含水量を下げる。例えば、供給排出エンドの反対側エンドに隣接するセルのアノード側に水が溜まっている場合にこ
の水の偏在を解消する具体的な方法として、流量制御弁２４を制御し、燃料ガスの流量を増やすことで、アノード側からの水分の持ち去り量を増やす方法や、パージ弁３１を制御し、燃料ガスのパージ頻度を上げることで、燃料タンク２１からの乾燥した燃料ガスの燃料電池への供給量を増やす方法、燃料ガスのガス圧を下げて、スタックからの水分の持ち去り量を増やす方法、酸化ガスのガス圧を下げて、アノード側からカソード側への水分の透過を促進させる方法、等がある。これらの水の偏在を解消する具体的な方法は、状況に応じて、一または複数の方法が選択されて実行されることが好ましい。その後、処理はステップＳ３０５へ進む。

ステップＳ３０５では、端セル落ちを防止するために、負荷変動を緩やかにする制御が行われる。具体的には、ＥＣＵ９０は、ガス流量やガス圧の制御における、ガス流量やガス圧の変動の速度を緩やかにする。即ち、ガス流量やガス圧を変動させる場合に、変動の速度を緩やかにすることで、フラッディングが発生している端セルにもガスが行き渡るようにし、水が詰まっているセルにガスが通らずに発電がされなくなってしまう現象（セル落ち）が発生することを防止する。

その後、上記ステップＳ３０１からステップＳ３０５の処理は、ステップＳ３０２においてガス供給が十分且つ適切な状態ではないと判定されるか、ステップＳ３０３において電圧差が閾値よりも小さいと判定される（即ち、スタックにおける水の偏在は発生していないと推定される）まで、繰り返される。

本実施形態に拠れば、水の偏在（水分布）を推定し、この結果に基づいて、端セル含水量を下げることが可能となる。これによって、燃料電池の運転効率を最適化し、更に、フラッディングによって落ちやすい端セルのセル落ちを防止することが可能である。

実施形態における燃料電池システムの構成の概略を示した図である。 実施形態における燃料電池を構成するセルの概略断面図である。 実施形態における燃料電池を構成するセルの平面図である。 実施形態における、電圧差と水分布の傾きとの関係を示す図である。 実施形態におけるセル内の電圧差とセル含水量との関係を示すグラフである。 実施形態における、セル含水量を最大化させる処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態における、ガス流量を増加させることで反対極からの水分移動を促進させる仕組みを示す図である。 実施形態における、ガス流量の変化に応じて反対側の触媒層から移動する水分の量が変化する仕組みを示す模式図である。 実施形態における、セル含水量を最小化させる処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態における、ガス流量を増加させることでセル含水量を減少させる仕組みを示す図である。 実施形態における燃料電池のスタックの概略断面図である。 供給排出エンドの反対側エンド近傍の端セルにおいて、カソード側からアノード側への水の移動が発生する様子を示す図である。 燃料電池の運転に伴って変化する含水量と電圧との関係を示す図である。 実施形態における、端セル含水量を下げる処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１０ セル
１２ カソード側ガス拡散層
１３ 膜電極接合体
１４ アノード側ガス拡散層
１６ 酸化ガス流路
１７ 燃料ガス流路
１８、１９ エンドプレート
２４ 流量制御弁
２５ 循環通路
３１ パージ弁
６０ 計測装置
６１、６２ 電圧計
６３、６４ 露点計
６５、６６ 電圧計
７０ 加湿器
９０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (12)

1. 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池における複数の計測箇所で電圧を計測する計測手段と、
   前記計測手段によって計測された電圧のうち、異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される、前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、前記燃料電池の、前記複数の計測箇所間における水分の偏在状況を推定する推定手段と、
   前記推定手段によって推定された前記燃料電池における水分の偏在状況に基づいて、該燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御する制御手段と、
   前記推定手段によって、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定された場合に、該燃料電池における二極のうち、何れの極が反対極より乾燥している乾燥極であり、また、何れの極が反対極より湿潤な湿潤極であるかを判定する判定手段と、を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記推定手段は、前記電圧の差が、所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池へ供給されるガスの湿度、ガスの流量およびガス圧のうち少なくとも何れか一を調整することで、前記燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御する、
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記判定手段は、前記二極の夫々から排出されるオフガスの露点に基づいて、二極のうち何れの極が前記乾燥極であり、また前記湿潤極であるかを判定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記判定手段によって前記乾燥極であると判定された極へ供給されるガスの流量を増やすことで、前記湿潤極から該乾燥極への水分の移動を促進する、
   請求項１または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記判定手段によって前記乾燥極であると判定された極のガス圧を、前記湿潤極のガス圧に対して下げることで、該湿潤極から該乾燥極への水分の移動を促進する、
   請求項１、４、５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させて再びアノード極に供給する循環手段と、
   前記循環手段によって循環される前記燃料オフガスを所定のタイミングで外部にパージするパージ手段と、
   前記パージ手段によるパージに伴って、前記燃料電池から排出された燃料オフガスに比べて乾燥した燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記湿潤極が燃料ガスが供給される極である場合、前記パージ手段によるパージ量またはパージ頻度を上げることで、該湿潤極に供給される前記燃料ガスの湿度を下げ、該湿潤極の水分量を減らす、
   請求項１、４、５、６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
8. 酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池における複数の計測箇所で電圧を計測する計測手段と、
   前記計測手段によって計測された電圧のうち、異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される、前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、前記燃料電池の、前記複数の計測箇所間における水分の偏在状況を推定する推定手段と、
   を備え、
   前記計測手段は、単一のセルにおける、供給されるガスの入口近傍における電圧および出口近傍における電圧を計測し、
   前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、単一のセルにおける水分の偏在状況を推定する、
   燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記推定手段によって、ガスの入口近傍が出口近傍に比べて乾燥していると推定された場合に、供給されるガスの流量を増やすことで、反対極から前記入口近傍への水分の移動を促進する、
   請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池は、複数のセルが積層された燃料電池であり、
    前記計測手段は、異なるセルにおける電圧を計測し、
    前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、前記積層の方向における、電圧が計測されたセル間の水分の偏在状況を推定する、
    請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記推定手段によって前記複数のセルの積層方向における水分の偏在が発生していると推定された場合、前記燃料電池へ供給されるガスの流量またはガス圧を変動させる際に、水分の偏在が発生していない場合と比べて流量またはガス圧を緩やかに変動させる、
    請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記推定手段は、前記燃料電池に対して供給されるガスの流量が、該燃料電池が発電を行うにあたって適正な流量である場合に、前記電圧の差に基づいて、前記燃料電池における水分の偏在状況を推定する、
    請求項１から１１の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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