(57)【要約】【課題】金属を含むセパレータの過度の腐食を防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】少なくとも表面または内部に金属を有するセパレータと、セパレータとガス拡散層を介して対向する触媒層と、を有する燃料電池３００を制御する燃料電池システム３であって、燃料電池の運転中であって、負荷が低減されて燃料電池の発電量の低下する負荷低減期間に、燃料電池内の液水を前記燃料電池外へ排出させる排水制御をする排水制御手段（３１２、３２２、３３２）を有する。【選択図】図３
2010123279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面または内部に金属を有するセパレータと、前記セパレータとガス拡散層を介して対向する触媒層と、を有する燃料電池を制御する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転中であって、負荷が低減されて前記燃料電池の発電量の低下する負荷低減期間に、前記燃料電池内の液水を前記燃料電池外へ排水させる排水制御をする排水制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排水制御手段は、前記燃料電池の電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２である基準電流密度以上、または、前記燃料電池の電圧が前記基準電流密度のときの第１基準電圧以下、で前記排水制御を行う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】
前記基準電流密度または前記第１基準電圧は、少なくとも下記のいずれか１つの条件をさらに満たす電流密度または電圧であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
（ａ）前記燃料電池の電流−電圧特性において拡散過電圧が発生する。
（ｂ）前記電流密度の増加にともない前記燃料電池の１ｋＨｚにおける交流抵抗が増加または低下する。
（ｃ）一定の前記電流密度のときの前記燃料電池の電圧の変動が増加する。
（ｄ）前記燃料電池内の相対湿度が１００％以上である。
【請求項４】
前記排水制御手段は、前記負荷低減期間の開始より遅く前記燃料電池へ供給するガス流量の低下を開始するガス流量低下手段を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排水制御手段は、前記燃料電池へ供給するガス流量を増加させるガス流量増加手段を含むことを特徴とする請求項１〜４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排水制御手段は、前記燃料電池の電圧が前記金属の分極曲線における過不働態溶解が起こる第２基準電圧以下の範囲、または、前記燃料電池の電流密度が前記第２基準電圧のときの電流密度以上の範囲、で前記排水制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排水制御手段は、前記燃料電池の電圧が前記第２基準電圧のとき、または、前記燃料電池の電流密度が前記第２基準電圧のときの電流密度のとき、に前記排水制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第２基準電圧は、前記燃料電池の総運転時間、または、前記燃料電池内の液水の導電率の計測値、から推定された、前記セパレータと前記触媒層との電位差で補正されたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記金属がオーステナイト系ステンレス材料である場合は、前記第２基準電圧はＳＨＥ基準で＋０．８〜１．２Ｖであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排水制御手段は燃料電池の温度を上昇させる温度上昇手段を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記温度上昇手段は、前記燃料電池に供給する冷却水の循環量を低下させる冷却水循環量低下手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記排水制御手段は燃料電池に供給するガスの加湿量を低下させる加湿量低下手段を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記温度上昇手段は、前記負荷低減期間の開始後、前記ガス流量低下手段が前記燃料電池へ供給する前記ガス流量を低下させる前、または、前記ガス流量増加手段が前記燃料電池へ供給する前記ガス流量を増加させる前、までの間に前記燃料電池の温度を上昇させることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記加湿量低下手段は、前記負荷低減期間の開始後、前記ガス流量低下手段が前記燃料電池へ供給する前記ガス流量を低下させる前、または、前記ガス流量増加手段が前記燃料電池へ供給する前記ガス流量を増加させる前、までの間に前記ガスの加湿量を低下させることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記前記排水制御は、少なくとも前記燃料電池のカソード電極側において行うことを特徴とする請求項１〜１４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し、より詳細には、金属を含むセパレータの腐食を防止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が注目されている。特に、イオン導電性の高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」と称する）は、１００℃以下の低い温度で作動可能なことから、車両用駆動源や定置型電源として期待され、実用化に向けて開発が進められている。
【０００３】
近年、燃料電池用のセパレータは、低コスト化のため、従来のカーボン製に代わり、金属製のセパレータが注目されている。金属製のセパレータは、カーボン製と比較して耐食性が劣るため、燃料電池の運転中に腐食することにより、抵抗値の増加、溶出する金属イオンによる電解質の劣化、が生じることがある。
【０００４】
そのため、セパレータに用いる金属材料自体の耐食性強化や、耐食性を有する金属でセパレータの表面処理することによる耐食性強化が検討されている。
【特許文献１】特開２００７−１９１７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池の運転環境下において腐食せず、長期の耐久性を有する金属材料をセパレータ本体またはその表面処理に用いると、燃料電池のコストを低くすることが困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決することを目的としてなされたものであり、燃料電池の運転中であって発電量が低下する期間に、燃料電池内の液水を燃料電池外へ排出する制御を行う。この制御を行うことにより、コスト低減のために比較的安価な金属材料をセパレータに用いた場合であっても、セパレータが過度に腐食することを防止する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、少なくとも表面または内部に金属を有するセパレータと、セパレータとガス拡散層を介して対向する触媒層と、を有する燃料電池を対象とし、燃料電池内の液水を排出する排水制御手段を有する。すなわち、燃料電池の運転中であって、負荷が低減されて燃料電池の発電量が低下する負荷低減期間に、燃料電池内の液水を燃料電池外へ排出する排水制御をすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、高電圧時における燃料電池の内部液水量の増加という腐食が発生し易い条件を、運転中の燃料電池が高負荷から低負荷へ移行する際に燃料電池内の液水を排水制御することで回避している。これにより、金属を含むセパレータの腐食を防止し、燃料電池のコスト低減、信頼性の向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明に係る燃料電池システムについて、各実施形態により、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
各実施形態について説明する前に、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明しておく。
【００１１】
図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池セルの構造を示す要部拡大図である。なお、本明細書において、単に「燃料電池」と表示した場合は、少なくとも燃料電池としての機能を有するものを指し、燃料電池セルのみならず燃料電池スタックをも意味する。
【００１２】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、アノード反応ガス（本明細書では水素）とカソード反応ガス（本明細書では酸素）の反応により起電力を生じる単位電池セル（以下、「燃料電池セル」と称する）２を所定数だけ積層して積層体３を構成している。その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させている。
【００１３】
この燃料電池スタック１においては、アノード反応ガス、カソード反応ガスおよび液状媒体（具体的には冷却水又は温水）をそれぞれ各燃料電池セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させる。そのため、アノード反応ガス供給口８、アノード反応ガス排出口９、カソード反応ガス供給口１０、カソード反応ガス排出口１１、媒体供給口１２および媒体排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１４】
アノード反応ガスは、アノード反応ガス供給口８より供給されてセパレータに形成されたアノード反応ガス供給用の流路溝を流れ、アノード反応ガス排出口９より排出される。カソード反応ガスは、カソード反応ガス供給口１０より供給されてセパレータに形成されたカソード反応ガス供給用の流路溝を流れ、カソード反応ガス排出口１１より排出される。液状媒体は、媒体供給口１２より供給されてセパレータに形成された媒体供給用の流路溝を流れ、媒体排出口１３より排出される。
【００１５】
燃料電池セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも称する）２００と、このＭＥＡ２００の両面にそれぞれ配置されるセパレータ２０１Ａ、２０１Ｂとから構成される。以下、ＭＥＡ２００のアノード側に配置されるセパレータを、アノードセパレータ２０１Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータをカソードセパレータ２０１Ｂと称する。
【００１６】
ＭＥＡ２００は、例えば、水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜２０２と、アノード触媒層２０３Ａとガス拡散層２０４Ａからなるアノードとしてのアノード電極（燃料極）２０５Ａと、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層２０３Ｂとガス拡散層２０４Ｂからなるカソードとしてのカソード電極（空気極）２０５Ｂとからなる。アノード触媒層２０３Ａおよびカソード触媒層２０３Ｂは、それぞれ、触媒（たとえば白金）と触媒を担持する触媒担体（たとえばカーボン）とを有してなる。アノード電極２０５Ａのガス拡散層２０４Ａ、および、カソード電極２０５Ｂのガス拡散層２０４Ｂは、それぞれ、カーボンからなる。ＭＥＡ２００は、アノード電極２０５Ａとカソード電極２０５Ｂによって、固体高分子電解質膜２０２をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００１７】
セパレータ２０１Ａ、２０１Ｂは、板厚の薄い導電性金属板を金型で所定形状に成形することにより形成する。従来、セパレータ２０１Ａ、２０１Ｂは、耐食性と導電性を兼ね備えたカーボン製が用いられているが、本実施形態においては、低コスト化および出力感度を向上させるための薄肉化のために金属製のセパレータを用いる。金属製のセパレータは、カーボン製のセパレータと比較して燃料電池の動作環境下における耐食性が劣るため、セパレータを腐食させないための対策が必要となる。この点については後述する。
【００１８】
セパレータ２０１Ａ、２０１Ｂは、図２に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡ２００と接する中央部分の領域）に、凸条部と凹条部を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を有している。
【００１９】
ＭＥＡ２００のアノード電極２０５Ａ側に接して配置されるアノードセパレータ２０１Ａの凸部と凹部は、ＭＥＡ２００との間にアノード反応ガス（水素；Ｈ２）を流通させる流路溝となりアノード反応ガス流路（アノードの流路）２１１Ａを形成する。一方、ＭＥＡ２００のカソード電極２０５Ｂ側に接して配置されるカソードセパレータ２０１Ｂの凸部と凹部は、ＭＥＡ２００との間にカソード反応ガス（酸素；Ｏ２）を流通させる流路溝となりカソード反応ガス流路（カソードの流路）２１１Ｂを形成する。少なくともアノードセパレータ２０１Ａまたはカソードセパレータ２０１Ｂのいずれかの裏面には冷却水が流れる流路（図示せず）を形成する。
【００２０】
アノード反応ガス流路２１１Ａに水素を、カソード反応ガス流路２１１Ｂに酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層２０３Ａの触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンは固体高分子電解質膜２０２を通過する。カソード触媒層２０３Ｂでは固体高分子電解質膜２０２を通過してきた水素と外部回路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によってアノード電極２０５Ａは負に帯電し、カソード電極２０５Ｂは正に帯電するので、アノード電極２０５Ａとカソード電極２０５Ｂとの間で直流電圧が発生する。
【００２１】
以下に、第１実施形態〜第５実施形態により本発明に係る燃料電池システムを具体的に説明する。
［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム３の構成を示す図である。
【００２２】
水素タンク３１０には高圧水素が貯蔵されており、水素バルブ３１１、水素流量コントローラ３１２を介して、燃料電池スタック３００のアノード反応ガス供給口に水素を供給する。水素流量コントローラ３１２は、コントロールユニット３５０からの制御信号に基づいて、燃料電池スタック３００へ供給する水素の流量を調整する。
【００２３】
燃料電池スタック３００のカソード反応ガス供給口には、コンプレッサ３２０から、空気バルブ３２１、空気流量コントローラ３２２を介して空気を供給する。空気流量コントローラ３２２は、コントロールユニット３５０からの制御信号に基づいて、燃料電池スタック３００へ供給する空気の流量を調整する。
【００２４】
燃料電池スタック３００には、循環ポンプ３３０と冷却水流量コントローラ３３２により流量制御された冷却水を供給し、燃料電池スタック内で循環させる。燃料電池の温度は、冷却水の流量を調節することで制御する。冷却水流量コントローラ３２２は、コントロールユニット３５０からの制御信号に基づいて、燃料電池スタック３００へ供給する冷却水の流量を調整する。
【００２５】
燃料電池スタック３００には、電圧計３４１、電流計３４２、温度計３４３、圧力計３４４、導電率計３４５といった計測器３４０を設ける。これらの計測器３４０による計測値は、燃料電池スタック３００の内部の位置によってばらつきを有するため、計測器３４０を設置する位置によるばらつきを考慮する必要がある。本実施形態においては、これらの計測器３４０を各燃料電池セルのカソード電極側に設ける。燃料電池セル内で、高電位かつ液水が多く存在する箇所はカソード電極側であり、カソード電極側の液水の影響を感度よく検出することで、液水排出によるセパレータの腐食の防止効果を向上させることができるからである。なお、これらの計測器３４０は、各燃料電池セルのカソード電極側下流付近に設けることが望ましい。
【００２６】
コントロールユニット３５０は、計測器３４０で計測した計測値をモニタするとともに、計測値に基づいて、水素流量コントローラ３１２、空気流量コントローラ３２２、冷却水流量コントローラ３３２を制御することで、燃料電池スタック３００に供給する水素の流量、酸素の流量、冷却水の流量を調整する。コントロールユニット３５０は、モニタの対象である計測器３４０、および、制御対象である水素流量コントローラ３１２、空気流量コントローラ３２２、冷却水流量コントローラ３３２と接続し、情報の送受信を行う。図３においては、簡単のため、前記接続のための結線を省略している。
【００２７】
本実施形態に係る燃料電池システムは、金属を含むセパレータの腐食を防止する。一般的に、金属を含む燃料電池用セパレータの腐食は次の３つの形態に区別することができる。すなわち、（１）酸性溶液によるセパレータの単独腐食、（２）セパレータとガス拡散層間の隙間腐食もしくはガルバニック腐食、（３）セパレータと触媒によるガルバニック腐食、である。（１）の腐食の主な原因は、大気中のＣＯ２の加湿水への溶け込みに加えて、電解質由来のアニオンによる弱酸性液滴である。（２）の腐食は、セパレータに形成された流路上でガス拡散層と圧接する部位での腐食であり、その要因は古くから知られる金属とカーボンとの間のガルバニック腐食によるものか、金属の隙間腐食メカニズムに従うものである。（３）の腐食は、セパレータと、これに対して電気的に貴である触媒（たとえば白金）との間のガルバニック腐食である。これらの３つの腐食の形態のうち、本実施形態は（３）の腐食を防止する。
【００２８】
上記（３）の腐食について詳細に説明する。（３）の腐食は、セパレータと触媒によるガルバニック腐食である。セパレートと、セパレータに対し電気的に貴である触媒との間が液水を介して接続されると電池が形成され、セパレータが腐食する。特に燃料電池のカソード側の触媒の電位はＳＨＥ基準で１．２Ｖまで上昇するので、貴金属以外のほとんどの金属は電気化学的に不安定になる。
【００２９】
セパレータが、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６Ｌからなる場合のセパレータの腐食について検討する。図４は、オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６Ｌの弱酸水溶液中におけるアノード分極曲線を示す図である。図４に示すように、ＳＵＳ３１６Ｌは、ＳＨＥ基準で約０．９Ｖより高電位になるとアノード電流が急激に増加する。すなわち、ＳＨＥ基準で約１．２Ｖでは不働態域である０．３〜０．８Ｖにおけるアノード電流に対して一桁以上大きなアノード電流が流れる。これは、ＳＵＳ３１６Ｌが、ＳＨＥ基準で約１．２Ｖの電位においては、不働態域である電位における腐食反応と比較して一桁以上大きい腐食反応が起こっていることを示している。上述したように、燃料電池のカソード側の触媒の電位はＳＨＥ基準で１．２Ｖまで上昇するため、燃料電池のカソード側の触媒に液水が存在すると、ＳＵＳ３１６Ｌを含むセパレータの腐食が生じうる。
【００３０】
図５は、燃料電池セルから流れる電流と、燃料電池セルの電圧および燃料電池セル内で発生する水との関係を示す図である。図５に示すように、一般的に、燃料電池セルの電圧の高低と、燃料電池セル内で発生する液水の量は反比例の関係となる。これは、燃料電池セルの負荷が大きくなると、燃料電池セルに流れる電流が増加するため、発電のための化学反応で発生する水の量が増加する一方、分極による電圧降下により燃料電池セルの電圧が低下するからである。
【００３１】
セパレータが腐食するための条件は、燃料電池セルの電圧が高く、かつ、燃料電池セル内で発生する液水の量が大きいことである。燃料電池の運転時において、このような条件を満たすこととなるのは、燃料電池セルの電圧が低い状態から急に高くなった場合である。すなわち、燃料電池の運転時に、高負荷の状態（すなわち燃料電池セルの電圧が低い状態）から低負荷状態（すなわち燃料電池セルの電圧が高い状態）へ短時間で移行した場合である。この場合、高負荷状態で発生した液水が燃料電池セル内に残存したまま燃料電池セルの電圧が高くなるため、上記条件を満たすこととなる。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池が上記条件を満たさないように燃料電池内の液水の量を制御し、金属（たとえばＳＵＳ３１６Ｌ）からなるセパレータもしくは該金属で表面被覆したセパレータの腐食を防止するものである。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池の運転中、負荷が低減され燃料電池の発電量が低下する期間に、燃料電池内の液水を燃料電池外へ排出する制御をすることで、金属を有するセパレータの腐食を防止するものである。
【００３３】
図６は、本実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートを示す図である。以下、ステップごとに本実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートについて説明する。
【００３４】
[Ｓ１００]
液水排水制御の要否を判断する。
【００３５】
図７は、図６のステップＳ１００のサブルーチンフローチャートを示す図である。図７のサブルーチンフローチャートにより液水排水制御の要否を判断する。以下、図７のサブルーチンフローチャートをステップごとに説明する。
【００３６】
[Ｓ１０１]
燃料電池セルの電圧（以下、「セル電圧」と称する）Ｖａまたは電流密度（以下、「セル電流密度」と称する）Ｉａ（以下、「セル電圧Ｖａ等」と称する）を検出する。
【００３７】
燃料電池セルごとに設けた電圧計または電流計（以下、「電圧計等」と称する）により、セル電圧Ｖａ等を検出する。各燃料電池セルから検出した電圧等の平均値をセル電圧Ｖａ等としてもよいがこれに限定されない。すなわち、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルから検出した電圧等をセル電圧Ｖａ等としてもよい。また、燃料電池スタックの電圧を検出し、燃料電池セルの積層数で除してセル電圧Ｖａとしてもよい。電圧計等は、液水の影響を感度よく検出するために、燃料電池セルのカソード電極側に設けることが望ましい。
【００３８】
検出したセル電圧等は、コントロールユニットに含まれる記憶装置に記憶させる。
【００３９】
[Ｓ１０２]
セル電圧Ｖａが第１基準電圧Ｖｓ１以下かどうか判断する。または、セル電流密度Ｉａが第１基準電流密度Ｉｓ１より大きいかどうか判断する。
【００４０】
すなわち、本ステップは、燃料電池セルの負荷が高負荷となっているかどうかを判断することにより、燃料電池セル内の液水が比較的多く発生した状態になっているかどうかを判断する。第１基準電圧Ｖｓ１および第１基準電流密度Ｉｓ１（以下、「基準電圧等」と称する）はあらかじめ定めて、コントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。たとえば、第１基準電圧Ｖｓ１としては燃料電池の電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２であるときのセル電圧とすることができる。また、第１基準電流密度Ｉｓ１としては０．５Ａ／ｃｍ２とすることができる。
【００４１】
第１基準電圧Ｖｓ１等は、さらに以下の４つの条件のうちいずれかを満たす電圧等とすることができる。すなわち、燃料電池の電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２であって以下の４つの条件のうちいずれか一つを満たす電圧等、または、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２であって４つの条件のうちの複数の条件を満たす電圧等を基準電圧等とすることができる。しかし、以下の４つの条件のうちいずれか一つのみを満たす電圧等を基準電圧等としてもよく、以下の４つの条件のうちの複数の条件のみを満たす電圧等を基準電圧等としてもよい。
【００４２】
以下説明する４つの条件は、いずれも、燃料電池セル内における液水の存在の観点から定めた条件である。
【００４３】
基準電圧等を決めるための第１の条件について説明する。図８は、燃料電池セルの基本特性である電流−電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」と称する）を示す図である。図８に示すように、燃料電池セルは、電流値を増加させると電圧が低下する特性を有するが、ある一定以上の電流値においては、拡散過電圧と呼ばれる電圧の降下が確認される。これは、燃料電池セル内に存在する液水が、主にカソード電極側における酸素の拡散を阻害するために起こる現象である。したがって、拡散過電圧の発生によって燃料電池セル内に液水が存在すると判断できるため、拡散過電圧を第１基準電圧Ｖｓ１としてもよい。また、セル電圧が拡散過電圧であるときのセル電流密度を第１基準電流密度Ｉｓ１としてもよい。
【００４４】
基準電圧等を決めるための第２の条件について説明する。Ｉ−Ｖ特性における拡散過電圧と同様の領域では、燃料電池セルの抵抗が変化することが確認できる。これは、主に１ｋＨｚの周波数における交流抵抗で確認できる。したがって、１ｋＨｚの周波数において、燃料電池セルの抵抗が変化するときのセル電圧および電流密度を、それぞれ、第１基準電圧Ｖｓ１および第１基準電流密度Ｉｓ１としてもよい。
【００４５】
基準電圧等を決めるための第３の条件について説明する。図９は、セル電流密度Ｉａを時間とともに増加させたときのセル電圧Ｖａの時間推移を示した図である。セル電流密度Ｉａが小さい領域では、一定電流密度に対する電圧の変動は小さいが、セル電流密度Ｉａが大きい領域では、一定電流密度に対する電圧の変動が大きいという現象が確認できる。このようなセル電圧の変動は、燃料電池セル内に存在する液水によるものである。したがって、燃料電池の電圧の変動が増加し始める電流密度および該電流密度のときの電圧を、それぞれ、第１基準電流密度Ｉｓ１および第１基準電圧Ｖｓ１としてもよい。
【００４６】
また、セル電圧や電流密度はセパレータ面内でバラツキがあることが知られている。バラツキが存在する場合は、セル内の水が不足することで性能が低下するドライアウト現象が発生する部位よりも、セル内の一部の部位でフラッディングが発生する場合の見かけのセル電圧もしくはその時の電流密度で第１基準電流密度Ｉｓ１もしくは第１基準電圧Ｖｓ１を決定するのが望ましい。
【００４７】
基準電圧等を決めるための第４の条件について説明する。燃料電池セル内においては、電力を発生する際、カソード電極において水素イオンと電子が酸素と反応して水が発生する。ここで、セル電流密度Ｉａが増大すると、発生する水の量も増大するため、燃料電池セル内の相対湿度が上昇する。燃料電池セル内の相対湿度が１００％以上になると燃料電池セル内で液水が発生する。したがって、燃料電池内の相対湿度が１００％になるときのセル電流密度または該電流密度のときの電圧を、それぞれ、第１基準電流密度Ｉｓ１または第１基準電圧Ｖｓ１としてもよい。
【００４８】
[Ｓ１０３]
ステップＳ１０２で、セル電圧Ｖａが第１基準電圧Ｖｓ１以下であると判断したとき、または、セル電流密度Ｉａが第１基準電流密度Ｉｓ１より大きいと判断したときは、液水排水制御が必要であると判断する。
【００４９】
[Ｓ１０４]
ステップＳ１０２で、セル電圧Ｖａが第１基準電圧Ｖｓ１より大きいと判断したとき、または、セル電流密度Ｉａが第１基準電流密度Ｉｓ１以下であると判断したときは、液水排水制御が不要であると判断する。
【００５０】
[Ｓ２００]
図７のサブルーチンフローチャートのステップＳ１０３、ステップＳ１０４を受け、液水排水制御が必要であると判断したときは、図６のフローチャートのステップＳ３００に移行し、液水排水制御を行う。液水排水制御が不要であると判断したときは、ステップＳ４００に移行し、液水排水制御を行わず、燃料電池の通常の制御を継続する。
【００５１】
[Ｓ３００]
燃料電池セルの液水排水制御を行う。
【００５２】
図１０は、図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。図１０のサブルーチンフローチャートにより燃料電池セルの液水排水制御を行う。以下、図１０のサブルーチンフローチャートをステップごとに説明する。
【００５３】
[Ｓ３０１]
燃料電池セルの発電量の低下を検出する。
【００５４】
燃料電池セルの発電量は、燃料電池セルごとに設けた電圧計等により、セル電圧Ｖａ等を検出し、コントロールユニットに含まれる演算装置でセル電圧Ｖａと電流の積を計算することで求めることができる。各燃料電池セルから検出した電圧等の平均値をセル電圧Ｖａ等としてもよいがこれに限定されない。すなわち、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルから検出した電圧等をセル電圧Ｖａ等としてもよい。また、燃料電池スタックの電圧を検出し、燃料電池セルの積層数で除してセル電圧Ｖａとしてもよい。
【００５５】
燃料電池の運転中に燃料電池セルの負荷が低減されると、燃料電池の発電量が低下する。燃料電池セルの発電量の低下は、燃料電池セルの発電量をコントロールユニットに含まれる記憶装置に時間とともに記憶させることで検出することができる。
【００５６】
なお、燃料電池セルの発電量の低下を検出することに代えて、燃料電池セルの電流（または、セル電流密度Ｉａ）の低下を検出してもよい。
【００５７】
燃料電池セルの発電量の低下を検出したときは、ステップＳ３０２に移行する。
【００５８】
[Ｓ３０２]
燃料電池セルに供給するガスのホールド時間ｔｐを決定する。
【００５９】
一般的に、燃料電池スタックの制御においては、燃料電池の発電量が低下すると、発電に必要な水素ガスおよび空気（以下、単に「ガス」と称する）の量も減少するため、一定利用率を考慮した上で、必要なガスの流量まで燃料電池スタックへ供給するガスの流量を低下させる。
【００６０】
しかし、本実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池セルの発電量の低下を検出した（ステップＳ３０１）後、直ちに燃料電池スタックへ供給するガスの流量を低下させず、燃料電池セルの発電量の低下を検出する前に供給していたガスの流量を一定時間（以下、「ホールド時間」と称する）ホールドする。このように、ホールド時間ｔｐを設けることで、余剰ガスが燃料電池セル内に供給されることとなり、余剰ガスで高負荷時に燃料電池セル内で発生していた液水を蒸発によって排水することができる。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムは、ホールド時間ｔｐを設けることで、金属を有するセパレータの腐食を防止することができる。
【００６１】
ホールド時間ｔｐは、燃料電池セル内で発電により発生した液水を蒸発させるのに十分な時間とする必要がある。したがって、セル電圧等とステップＳ１０２で説明した基準電圧等との差に基づいて、本ステップに移行する度ごとに、ホールド時間を決めることが望ましい。すなわち、燃料電池の電圧と第１基準電圧との差が大きいときは、燃料電池セルの負荷が大きいことから燃料電池セル内の液水の量が比較的多いと推定されるため、ホールド時間ｔｐを比較的長くする。また、ホールド時間ｔｐの長さは、ガスの流れ易さの観点から、セパレータの流路形状も考慮する必要がある。ホールド時間ｔｐは、セル電圧等とホールド時間ｔｐの関係のテーブルをあらかじめコントロールユニットに含まれる記憶装置に記憶させておき、計測器で検出したセル電圧等を該テーブルと比較することで決定してもよい。
【００６２】
なお、ホールド時間ｔｐ中に、再び発電量の増加が起こった場合は、速やかにステップＳ１００に戻り、液水排水制御の要否の判断を継続する。
【００６３】
[Ｓ３０３]
ガス流量のホールドを開始する。
【００６４】
すなわち、燃料電池セルの発電量の低下を検出する直前に供給していたガスの流量のホールドを開始する。ガス流量のホールドは、ステップＳ３０２においてホールド時間ｔｐを決定した後、速やかに開始する。コントロールユニットは、ホールド時間ｔｐ中は燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給流量の制御を停止し、燃料電池セルの発電量の低下を検出する直前に燃料電池スタックに供給していた流量のガスを燃料電池スタックへ継続して供給する。ホールド時間ｔｐ開始から経過した時間（以下、「ホールド経過時間ｔａ」と称する）は、コントロールユニットが有するタイマにより計測し、記憶装置に記憶させる。
【００６５】
なお、ガス流量のホールドは、カソード電極側に供給するガス、すなわち、酸素の流量においてのみ行ってもよい。すなわち、燃料電池セル内で液水が発生するのはカソード電極においてであるので、カソードに供給する空気の流量をホールドすることでより効果的に液水を蒸発させることができ、液水排出によるセパレータの腐食防止効果を奏することができる。
【００６６】
[Ｓ３０４]
ホールド時間ｔｐが経過したかどうか判断する。
【００６７】
ガス流量のホールドを開始した後、ホールド時間ｔｐが経過したかどうかを、ステップＳ３０３において計測したホールド経過時間ｔａと、ステップＳ３０２で決定したホールド時間ｔｐと、を比較することで判断する。すなわち、ホールド経過時間ｔａがホールド時間ｔｐ以上となったときに、ホールド時間ｔｐが経過したと判断する。
【００６８】
[Ｓ３０５]
燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給量の制御を再開する。
【００６９】
ステップＳ３０４でホールド時間が経過したと判断したときは、通常の燃料電池スタックの制御に戻り、燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給流量の制御を再開する。
【００７０】
[Ｓ３０６]
ステップＳ３０４で、ホールド時間ｔｐが経過していないと判断したときは、ホールド時間ｔｐが経過するまで、燃料電池スタックへ供給するガス流量のホールドを継続する。
【００７１】
以上、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明したが、第１実施形態における第１基準電圧は本発明の第１基準電圧または第２基準電圧に相当する。空気流量コントローラ、水素流量コントローラは排水制御手段およびガス流量低下手段に相当する。
【００７２】
以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示す。
・金属を含むセパレータの腐食を防止し、燃料電池のコスト低減、信頼性の向上を実現することができる。
・特に設備の追加を必要せず、金属の腐食に感度のあるパラメータを制御するだけでセパレータの腐食を防止することができる。
・セル内に液水が発生する条件になったときのみガス供給量の制御を行うため、排水のためのガスの消費量を抑えることができる。
［第２実施形態］
本発明の燃料電池システムに係る第２実施形態について以下説明する。本実施形態と第１実施形態とで異なる点は、液水排水制御（図６のステップＳ３００）の内容である。以下、本実施形態における排水制御について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分については、重複するため説明を省略する。
【００７３】
図１１は、図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。本実施形態は、図１１のサブルーチンフローチャートにより液水排水制御を行う。以下、図１１のサブルーチンフローチャートをステップごとに説明する。
【００７４】
[Ｓ３１１]
燃料電池セルの発電量の低下を検出する。
【００７５】
燃料電池セルの発電量は、燃料電池セルごとに設けた電圧計等により、セル電圧Ｖａ等を検出し、コントロールユニットに含まれる演算装置で電圧と電流の積を計算することで求めることができる。各燃料電池セルから検出した電圧Ｖａ等の平均値をセル電圧等としてもよいがこれに限定されない。すなわち、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルから検出した電圧等をセル電圧Ｖａ等としてもよい。電圧計等は、液水の影響を感度よく検出するために、燃料電池セルのカソード電極側に設けることが望ましい。
【００７６】
燃料電池の運転中に燃料電池セルの負荷が低減されると、燃料電池の発電量が低下する。燃料電池セルの発電量の低下は、燃料電池セルの発電量をコントロールユニットに含まれる記憶装置に時間とともに記憶させることで検出することができる。
【００７７】
なお、燃料電池セルの発電量の低下を検出することに代えて、燃料電池セルの電流（または、電流密度Ｉａ）の低下を検出してもよい。
【００７８】
燃料電池セルの発電量の低下を検出したときは、ステップＳ３１２に移行する。
【００７９】
[Ｓ３１２]
ガス流量のホールドを開始する。
【００８０】
ガス流量のホールドは、ステップＳ３１１において燃料電池セルの発電量の低下を検出した後、速やかに開始する。コントロールユニットは、ホールド時間中は燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給流量の制御をせず、燃料電池セルの発電量の低下を検出する直前に燃料電池スタックに供給していた流量のガスを燃料電池スタックへ継続して供給する。
【００８１】
このように、ガス流量を一定量に保持、すなわち、ホールドすることで、燃料電池セルの発電量の低下に伴う余剰ガスが燃料電池セル内に供給されることとなり、余剰ガスで、高負荷時に燃料電池セル内で発生していた液水を蒸発させ排水することができる。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムは、ガス流量をホールドすることで、金属を有するセパレータの腐食を防止することができる。
【００８２】
[Ｓ３１３]
セル電圧Ｖａが第２基準電圧Ｖｓ２以上かどうか判断する。または、セル電流密度Ｉａが第２基準電流密度Ｉｓ２より小さいかどうか判断する。
【００８３】
第２基準電圧Ｖｓ２および第２基準電流密度Ｉｓ２は、それぞれ、第１基準電圧Ｖｓ１および第１基準電流密度Ｉｓ１と同じであってもよい。たとえば、ステップＳ１０２においてセル電圧Ｖａが第１基準電圧Ｖｓ以下と判断された後、ステップＳ３１１において燃料電池セルの発電量の低下を検出するまでは、セル電圧Ｖａが第１基準電圧Ｖｓ1より低いことが多いと考えられる。その場合、セル電圧Ｖａは、ステップＳ３１１において燃料電池セルの発電量の低下を検出した後、第１基準電圧Ｖｓ１（すなわち、第２基準電圧Ｖｓ２）まで再度上昇することになる。本ステップでは、セル電圧Ｖａが第２基準電圧Ｖｓ２に達したかどうか、すなわち、セル電圧Ｖａが第２基準電圧Ｖｓ２以上になったかどうかを判断する。
【００８４】
ただし、第２基準電圧Ｖｓ２は第１基準電圧Ｖｓ１より高く、第２基準電流密度Ｉｓ２は第１基準電流密度Ｉｓ１より低く設定したほうが望ましい。これにより、ガス流量がホールドされる期間が長くなるため、燃料電池セル内の液水の排水を確実に行うことができる。この場合、第２基準電圧Ｖｓ２は、第１基準電圧Ｖｓ１より大きい電圧であれば特に限定されない。また、第２基準電流密度Ｉｓ２は第１基準電流密度Ｉｓ１より低い電流密度であれば特に限定されない。
【００８５】
たとえば、第２基準電圧Ｖｓ２は燃料電池セルのセパレータが含む金属の分極曲線における過不働態溶解が起こる電圧で、第２基準電流密度Ｉｓ２はセル電圧が該第２基準電圧Ｖｓ２のときのセル電流密度としてもよい。これにより、セパレータに使用する金属に応じた排水制御が可能となる。
【００８６】
なお、本ステップにおいては、セル電流密度Ｉａが第２基準電流密度Ｉｓ２以下となったかどうかを判断してもよい。
【００８７】
[Ｓ３１４]
燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給流量の制御を再開する。
【００８８】
ステップＳ３１３で、セル電圧Ｖａが第２基準電圧Ｖｓ２以上と判断したとき、または、セル電流密度Ｉａが第２基準電流密度Ｉｓ２より小さいと判断したときは、燃料電池セルの発電量に基づくガス供給流量の制御を再開し、通常の燃料電池スタックの制御を再開する。
【００８９】
[Ｓ３１５]
ステップＳ３１３で、セル電圧Ｖａが第２基準電圧Ｖｓ２より小さいと判断したとき、または、セル電流密度Ｉａが第２基準電流密度Ｉｓ２以上と判断したときは、ステップＳ３１３に戻る。そして、セル電圧Ｖａが第２基準電圧Ｖｓ２以上となるまで、または、セル電流密度Ｉａが第２基準電流密度Ｉｓ２以下となるまで、燃料電池スタックへ供給するガス流流量のホールドを継続する。
【００９０】
以上、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明したが、第１実施形態における第１基準電圧は本発明の第１基準電圧または第２基準電圧に相当する。空気流量コントローラ、水素流量コントローラは排水制御手段およびガス流量低下手段に相当する。
【００９１】
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムは第１実施形態と同様の効果を奏する。
［第３実施形態］
本発明の燃料電池システムに係る第３実施形態について以下説明する。本実施形態と第１実施形態とで異なる点は、液水排水制御（図６のステップＳ３００）の内容である。以下、本実施形態における排水制御について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分については、重複するため説明を省略する。
【００９２】
図１２は、図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。本実施形態は、図１２のサブルーチンフローチャートにより液水排水制御を行う。以下、図１２のサブルーチンフローチャートをステップごとに説明する。
【００９３】
[Ｓ３２１]
燃料電池セルの発電量の低下を検出する。
【００９４】
燃料電池セルの発電量は、燃料電池セルごとに設けた電圧計等により、セル電圧Ｖａ等を検出し、コントロールユニットに含まれる演算装置で電圧と電流の積を計算することで求めることができる。各燃料電池セルから検出した電圧等の平均値をセル電圧Ｖａ等としてもよいがこれに限定されない。すなわち、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルから検出した電圧等をセル電圧Ｖａ等としてもよい。
【００９５】
燃料電池の運転中に燃料電池セルの負荷が低減されると、燃料電池の発電量が低下する。燃料電池セルの発電量の低下は、燃料電池セルの発電量をコントロールユニットに含まれる記憶装置に時間とともに記憶させることで検出することができる。
【００９６】
なお、燃料電池セルの発電量の低下を検出することに代えて、燃料電池セルの電流（または、電流密度Ｉａ）の低下を検出してもよい。
【００９７】
燃料電池セルの発電量の低下を検出したときは、ステップＳ３２２に移行する。
【００９８】
[Ｓ３２２]
セル電圧Ｖａのモニタを開始する。
【００９９】
セル電圧Ｖａのモニタは、ステップＳ３２１の発電量の低下の検出と同様に、燃料電池セルごとに設けた電圧計により、セル電圧を検出し、それらの平均値をセル電圧Ｖａとして行ってもよい。
【０１００】
[Ｓ３２３]
第３基準電圧Ｖｓ３を決定する。
【０１０１】
図１３は、図１２のステップＳ３２３のサブルーチンフローチャートを示す図である。以下、第３基準電圧Ｖｓ３の決定について、図１３のサブルーチンフローチャートによりステップごとに説明する。
【０１０２】
[Ｓ３２３１]
燃料電池セルの総運転時間ｔｗ、または、燃料電池セル下流の排出水の導電率Ｓを測定する。
【０１０３】
図１４は、燃料電池セルの総運転時間ｔｗと、セル電圧Ｖａとセパレータの電圧との差ΔＶ、および、燃料電池セルの下流における排出水の導電率Ｓとの関係を示す図である。
【０１０４】
燃料電池セルは総運転時間ｔｗに依存して劣化が生じるものであり、特に、劣化によって電解質に由来する種々のイオン溶出が増加する傾向がある。図１４に示すように、総運転時間ｔｗに依存してイオンが溶出することで、燃料電池セルの下流における排出水（すなわち、燃料電池セル内の液水）の導電率Ｓ（以下、「導電率Ｓ」と称する）が増加する。セパレータと触媒層が液水によって接続された場合の腐食感度は、導電率Ｓに比例するものであり、一方、導電率Ｓの増加によって、燃料電池セルの、セル電圧Ｖａとセパレータの電圧との差ΔＶ（以下、電圧差ΔＶと称する）も小さくなる。
【０１０５】
セル電圧Ｖａとセパレータの電圧とでは電位差ΔＶがあるため、実際にモニタしたセル電圧Ｖａに対しては、電圧差ΔＶを考慮することが望ましい。また、上述したように、電圧差ΔＶは燃料電池セルの総運転時間ｔｗまたは導電率Ｓに依存する。したがって、本ステップでは、セル電圧Ｖａとセパレータの電圧との差ΔＶを推定するために、燃料電池セルの総運転時間ｔｗ、または、燃料電池セル下流の導電率Ｓを測定する。
【０１０６】
電圧差ΔＶは、総運転時間ｔｗと電圧差ΔＶとの関係をコントロールユニットに含まれる記憶装置にあらかじめ記憶させておき、現在の総運転時間ｔｗと比較することで推定できる。総運転時間ｔｗは、タイマを用いることで測定できる。
【０１０７】
また、電圧差ΔＶは、導電率Ｓと電圧差ΔＶとの関係をコントロールユニットに含まれる記憶装置にあらかじめ記憶させておき、測定した導電率Ｓと比較することによっても推定できる。導電率Ｓは、燃料電池セルの下流に設けた導電率計で計測することができる。
【０１０８】
[Ｓ３２３２]
第３基準電圧Ｖｓ３を決定する。
【０１０９】
第３基準電圧Ｖｓ３は、下記式（１）により決定する。
【０１１０】
Ｖｓ３＝Ｖｘ＋ΔＶ  ・・・（１）
ここで、Ｖｘは燃料電池セルのセパレータが含む金属の分極曲線における過不働態溶解が起こる電圧であってもよいがこれに限定されない。すなわち、Ｖｘは前記過不働態溶解が起こる電圧より小さい電圧であってもよい。Ｖｘを燃料電池セルのセパレータが含む金属の分極曲線における過不働態溶解が起こる電圧とすることで、セパレータに使用する金属に応じた排水制御が可能となる。
【０１１１】
なお、次のステップＳ３２４では、セル電圧Ｖａと第３基準電圧Ｖｓ３とを比較するが、第３基準電圧Ｖｓ３として式（１）を用いることは、セル電圧ＶａとＶｘとの比較において、セル電圧Ｖａについて電圧差ΔＶの補正をすることと等価である。
【０１１２】
[Ｓ３２４]
セル電圧Ｖａが第３基準電圧Ｖｓ３以上かどうか判断する。
【０１１３】
セル電圧Ｖａが第３基準電圧Ｖｓ３以上であるときは、ステップＳ３２６に移行して、カソードガスの流量の増加を開始する。
【０１１４】
セル電圧Ｖａが第３基準電圧Ｖｓ３未満であるときは、ステップＳ３２５に移行して燃料電池セルの発電量が再上昇したかどうかを判断する。
【０１１５】
[Ｓ３２５]
燃料電池セルの発電量が再上昇したかどうか判断する。
【０１１６】
燃料電池セルの発電量が再上昇したと判断したときは、本サブルーチンフローチャートは終了する。
【０１１７】
燃料電池セルの発電量が再上昇していないと判断したときは、ステップＳ３２４に戻り、再度、セル電圧Ｖａが第３基準電圧Ｖｓ３以上かどうか判断する。
【０１１８】
[Ｓ３２６]
カソードガスの流量の増加を開始する。
【０１１９】
ステップＳ３２４で、セル電圧Ｖａが第３基準電圧Ｖｓ３以上であると判断したときは、カソードガスの流量の増加を開始する。これにより、余剰ガスにより、高負荷時に燃料電池セル内で発生していた液水を蒸発させ、排水することができる。本ステップにおいては、カソードガスの流量を増加させるため、カソードガスの流量をホールドする場合よりもより速く液水を蒸発させ、排水することができる。
【０１２０】
増加させたカソードガスの流量は、第３基準電圧Ｖｓ３の値、発電条件、環境条件、セパレータの流路の形状により適宜決めることができる。
【０１２１】
Ｖｘを、たとえば、燃料電池セルのセパレータが含む金属の分極曲線における過不働態溶解が起こる電圧とした場合は、該金属が過不働態溶解する前に燃料電池セル内の液水を排水するため、該金属の性質に応じ、効率的にセパレータの腐食を防止できる。
【０１２２】
なお、セル電圧Ｖａが第３基準電圧Ｖｓ３と等しくなったときに、一時にカソードガスの流量を増加させてもよい。セル電圧は上下に振れていることが多いので、このようにすることで、頻繁に排水制御を行うことなく、セパレータの腐食電位域に達する直前のみに行うことで、燃料電池システムを簡素化できる。
【０１２３】
[Ｓ３２７]
カソードガスの流量増加の終了を判断する。
【０１２４】
カソードガスの流量増加の終了を判断は、あらかじめ、燃料電池セル内の液水を排水するのに十分な時間ｔｃ、カソードガスの流量ｆｃを決定し、これらとの比較により行ってもよい。
【０１２５】
本ステップにおいて、カソードガスの流量増加を終了すべきでないと判断したときは、カソードガスの流量増加を終了すべきと判断をするまでカソードガスの流量を増加した状態を維持する。
【０１２６】
本ステップにおいて、カソードガスの流量増加を終了すべきと判断したときは、本サブルーチンフローチャートは終了する。
【０１２７】
以上、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明したが、第３実施形態における第３基準電圧は本発明の第１基準電圧または第２基準電圧に相当する。空気流量コントローラ、水素流量コントローラは排水制御手段に相当する。
【０１２８】
本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムは第１実施形態が奏する効果に加えて以下の効果を奏する。
・セル電圧を補正することで高精度にセル内の液水の排水ができるため、セパレータの腐食防止を確実かつ効率的に行うことができる。
［第４実施形態］
本発明の燃料電池システムに係る第４実施形態について以下説明する。本実施形態と第１実施形態とで異なる点は、液水排水制御（図６のステップＳ３００）の内容である。以下、本実施形態における排水制御について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【０１２９】
図１５は、図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。本実施形態は、図１５のサブルーチンフローチャートにより液水排水制御を行う。以下、図１５のサブルーチンフローチャートをステップごとに説明する。
【０１３０】
[Ｓ３３１]
セル電圧Ｖａと燃料電池セルの温度Ｔａを計測し、燃料電池セルの発電量の低下を検出する。
【０１３１】
燃料電池セルの発電量は、燃料電池セルごとに設けた電圧計等により、セル電圧Ｖａ等を検出し、コントロールユニットに含まれる演算装置で電圧と電流の積を計算することで求めることができる。各燃料電池セルから検出した電圧等の平均値をセル電圧Ｖａ等としてもよいがこれに限定されない。燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルから検出した電圧等をセル電圧Ｖａ等としてもよい。電圧計等は、液水の影響を感度よく検出するために、燃料電池セルのカソード電極側に設けることが望ましい。
【０１３２】
燃料電池の運転中に燃料電池セルの負荷が低減されると、燃料電池の発電量が低下する。燃料電池セルの発電量の低下は、燃料電池セルの発電量をコントロールユニットに含まれる記憶装置に時間とともに記憶させることで検出することができる。
【０１３３】
なお、燃料電池セルの発電量の低下を検出することに代えて、燃料電池セルの電流（または、電流密度Ｉａ）の低下を検出してもよい。
【０１３４】
燃料電池セルの温度Ｔａは、燃料電池セルごとに設けた温度計により検出することができる。各燃料電池セルから検出した温度の平均値を燃料電池セルの温度等としてもよいがこれに限定されない。燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルの温度を燃料電池セルの温度としてもよい。温度計は、液水の影響を感度よく検出するために、燃料電池セルのカソード電極側に設けることが望ましい。
【０１３５】
燃料電池セルの発電量の低下を検出したときは、ステップＳ３３２に移行する。
【０１３６】
[Ｓ３３２]
燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐを決定する。
【０１３７】
本実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池セルの温度を制御することで、燃料電池セル内の液水を排水し、セパレータの腐食を防止する。燃料電池セルの温度Ｔａは、燃料電池セル内を流れる冷却水の流量によって制御する。すなわち、燃料電池セルの温度Ｔａは、燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐにより制御する。
【０１３８】
冷却水の循環量Ｌｐは、セル電圧Ｖａと燃料電池セルの温度Ｔａとから燃料電池セル内に液水を発生させないための温度上昇量Ｔｐを計算し、該温度上昇を実現する冷却水の循環量を計算して決定する。すなわち、セル電圧Ｖａから燃料電池セル内の水の量を計算し、水の蒸気圧曲線と比較することで、電量電池セル内に液水が存在しない温度を計算し、現在の燃料電池セルの温度Ｔａと比較することにより温度上昇量Ｔｐを計算する。そして、あらかじめ測定しておいた、燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐと燃料電池セルの温度Ｔａとの関係から温度上昇量Ｔｐに対応する冷却水の循環量Ｌｐを決定することができる。水の蒸気圧曲線、および、燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐと燃料電池セルの温度Ｔａとの関係は、あらかじめ、コントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。
【０１３９】
[Ｓ３３３]
燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐの制御を開始する。
【０１４０】
燃料電池セルの発電量の低下とともに、冷却水の循環量Ｌｐの制御をする。冷却水の循環量Ｌｐの制御は、次ステップＳ３３４における判断に基づき、燃料電池セルの温度Ｔａとセル電圧Ｖａをモニタしながら行う。
【０１４１】
[Ｓ３３４]
燃料電池セルの温度Ｔａが基準温度Ｔｐより低く、かつ、セル電圧Ｖａが第４基準電圧Ｖｓ４より小さいかどうか判断する。
【０１４２】
基準温度Ｔｐは、ステップＳ３３２で決定した、燃料電池スタックの冷却水が循環量Ｌｐのときの燃料電池セルの温度であるが、これに限定されず、温度制御に要する応答時間を考慮した最適な温度としてもよい。ただし、基準温度Ｔｐは、ステップＳ３３１で燃料電池セルの発電量の低下を検出したときの温度以上で、燃料電池セルを構成する部品の耐熱温度以下の範囲の温度に設定する。
【０１４３】
本ステップでは、燃料電池セルの発電量の低下の速度に対して、燃料電池セルの温度Ｔａの上昇が追いつかない場合もあるため、セル電圧Ｖａがあらかじめ設定した第４基準電圧Ｖｓ４より大きいかどうかも判断する。
【０１４４】
[Ｓ３３５]
燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給流量の制御を再開する。
【０１４５】
ステップＳ３３４で、燃料電池セルの温度Ｔａが基準温度Ｔｐ以上であるか、または、セル電圧Ｖａが第４基準電圧Ｖｓ４以上であると判断したときは、燃料電池セルの発電量に基づくガス供給流量の制御を再開し、通常の燃料電池スタックの制御を再開する。
【０１４６】
[Ｓ３３６]
燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐの制御を継続する。
【０１４７】
ステップＳ３３４で、燃料電池セルの温度Ｔａが基準温度Ｔｐより低いか、または、セル電圧Ｖａが第４基準電圧Ｖｓ４より小さいと判断したときは、燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐの制御を継続する。燃料電池スタックの冷却水の循環量Ｌｐの制御は、ステップＳ３３４において、燃料電池セルの温度Ｔａが基準温度Ｔｐ以下であるか、または、セル電圧Ｖａが第４基準電圧Ｖｓ４以上であると判断されるまで継続する。
【０１４８】
以上、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明したが、第４実施形態における第４基準電圧は本発明の第１基準電圧または第２基準電圧に相当する。冷却水流量コントローラは排水制御手段、温度上昇手段、冷却水循環量低下手段に相当する。
【０１４９】
本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。
［第５実施形態］
本発明の燃料電池システムに係る第５実施形態について以下説明する。本実施形態と第１実施形態とで異なる点は、液水排水制御（図６のステップＳ３００）の内容である。以下、本実施形態における排水制御について説明する。なお、第１実施形態と共通する部分については、重複するため説明を省略する。
【０１５０】
図１６は、図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。本実施形態は、図１６のサブルーチンフローチャートにより液水排水制御を行う。以下、図１６のサブルーチンフローチャートをステップごとに説明する。
【０１５１】
[Ｓ３４１]
燃料電池セルの発電量の低下を検出し、燃料電池へのガス供給流量Ｆａおよび加湿量Ｒａを確認する。
【０１５２】
燃料電池セルの発電量の低下を検出した際の、燃料電池へのガス供給流量Ｆａおよび加湿量Ｒａを確認する。
【０１５３】
燃料電池セルの発電量は、燃料電池セルごとに設けた電圧計等により、セル電圧Ｖａ等を検出し、コントロールユニットに含まれる演算装置で電圧と電流の積を計算することで求めることができる。各燃料電池セルから検出した電圧等の平均値をセル電圧Ｖａ等としてもよいがこれに限定されない。燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうちの一の燃料電池セルから検出した電圧をセル電圧Ｖａとしてもよい。電圧計等は、液水の影響を感度よく検出するために、燃料電池セルのカソード電極側に設けることが望ましい。
【０１５４】
燃料電池の運転中に燃料電池セルの負荷が低減されると、燃料電池の発電量が低下する。燃料電池セルの発電量の低下は、燃料電池セルの発電量をコントロールユニットに含まれる記憶装置に時間とともに記憶させることで検出することができる。
【０１５５】
なお、燃料電池セルの発電量の低下を検出することに代えて、燃料電池セルの電流（または、電流密度Ｉａ）の低下を検出してもよい。
【０１５６】
燃料電池へのガス供給流量Ｆａおよび加湿量Ｒａは、空気については、空気流量コントローラが有する制御データで確認できる。水素については、水素流量コントローラが有する制御データで確認できる。本実施形態においては、液水排水制御を、空気流量コントローラによる、燃料電池に供給する空気（ガス）の加湿量の制御で行う。燃料電池へのガス供給流量Ｆａおよび加湿量Ｒａのデータは、コントロールユニットの記憶装置に記憶する。
【０１５７】
燃料電池セルの発電量の低下を検出したときは、ステップＳ３４２に移行する。
【０１５８】
[Ｓ３４２]
必要排水量Ｗａを決定する。
【０１５９】
燃料電池セルへのガス供給に伴い、燃料電池セルには水（水蒸気）が供給されている。したがって、燃料電池セル内には、電池外部からの前記ガス供給による水と、電池内部における電力を発生させる際の電気化学反応で発生する水が存在する。一定の温度において水蒸気として存在しうる水の許容量は決まっているため、これを超える量の水が燃料電池セル内に存在すると、液水が発生する。したがって、燃料電池セル内で液水が発生しないようにするためには、燃料電池セル内の相対湿度を１００％以下にする必要がある。
【０１６０】
本ステップにおいては、燃料電池セルの温度Ｔａ、燃料電池セルの容積、蒸気圧曲線から相対湿度が１００％のときの燃料電池セル内の水の量（以下、「飽和水量」と称する）を計算し、飽和水量を超える水の量、すなわち、排水を要する燃料電池セル内の液水の量（以下、「必要排水量Ｗａ」）を決定する。
【０１６１】
[Ｓ３４３]
排水のためのガス供給流量ＦCおよび加湿量ＲCを決定する。
【０１６２】
ガス供給流量ＦCおよび加湿量ＲCは、加湿制御の応答速度に基づいて、適宜決定してよい。たとえば、ガス加湿量ＲCを排水制御前の加湿量Ｒａよりもわずかに小さく（Ｒａ＞ＲC）するとともに、ガス供給流量ＦCを排水制御前のガス供給流量Ｆａより大きめにして燃料電池セル内の液水の排水を促してもよい。一方、ガス加湿量ＲCを排水制御前の加湿量Ｒａよりも十分小さく（Ｒａ＞＞ＲC）することができるときは、ガス供給流量ＦCを比較的小さくすることができる。
【０１６３】
[Ｓ３４４]
ガスの加湿制御を開始する。
【０１６４】
前ステップで決定したガス供給流量ＦCおよび加湿量ＲCのガスの燃料電池セルへの供給を開始する。すなわち、空気流量コントローラは、燃料電池セルへ供給するガスが、ガス供給流量ＦC、加湿量ＲCとなるようにガスの加湿制御を行う。
【０１６５】
[Ｓ３４５]
実際の排水量Ｗｃが必要排出量Ｗａ以上となったかどうか判断する。
【０１６６】
実際の排出量Ｗｃは、前ステップＳ３４４で燃料電池セルへの供給を開始したガス供給流量ＦC、加湿量ＲC、およびガスの加湿制御を開始してからの時間から計算することができる。
【０１６７】
[Ｓ３４６]
燃料電池セルの発電量に基づくガスの供給流量の制御を再開する。
【０１６８】
ステップＳ３４５で、実際の排水量Ｗｃが必要排出量Ｗａ以上となったと判断したときは、燃料電池セルの発電量に基づくガス供給流量の制御、すなわち、通常の燃料電池スタックの制御を再開する。
【０１６９】
[Ｓ３４７]
ガスの加湿制御を継続する。
【０１７０】
ステップＳ３４５で、実際の排水量Ｗｃが必要排出量Ｗａ以上となっていないと判断したときは、燃料電池セル内に液水が残存しているものとしてガスの加湿制御を継続する。
【０１７１】
以上、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムについて説明したが、第５実施形態における空気流量コントローラは排水制御手段、加湿量低下手段、ガス流量増加手段に相当する。
【０１７２】
本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。
【０１７３】
以上、本発明に係る燃料電池システムを、第１実施形態〜第５実施形態により具体的に説明したが、これらの実施形態を組み合わせることで、燃料電池セル内の液水の排水を効果的に行うことができ、セパレータの腐食の防止効果を向上させることができる。すなわち、通常、車両向け燃料電池は加湿機能が比較的小さいため、第５実施形態のように加湿制御で排水する場合はタイムラグが問題となることがある。また、第４実施形態のように温度制御で排水する場合もタイムラグが問題となることがある。
【０１７４】
そこで、たとえば、第４実施形態または第５実施形態を第１〜第３実施形態と適宜組み合わせることで、相乗効果により、効果的に燃料電池セル内の液水の排水を実現できる。
【０１７５】
すなわち、温度上昇制御を、負荷低減期間の開始後、燃料電池へ供給するガス流量を低下させるガス流量低下制御、または、ガス流量を増加させるガス流量増加制御、の開始前までの間に行うことで、排水の効果、ひいてはセパレータの腐食防止効果を向上させることができる。
【０１７６】
また、加湿量低下制御を、負荷低減期間の開始後、前記ガス流量低下制御、または、前記ガス流量増加制御、の開始前までの間に行うことで、排水の効果、ひいてはセパレータの腐食防止効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池セルの構造を示す要部拡大図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】オーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３１６Ｌの弱酸水溶液中におけるアノード分極曲線を示す図である。
【図５】燃料電池セルから流れる電流と、セル電圧および燃料電池セル内で発生する液水との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートを示す図である。
【図７】図６のステップＳ１００のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【図８】燃料電池セルの基本特性であるＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図９】セル電流密度Ｉａを時間とともに増加させたときのセル電圧Ｖａの時間推移を示した図である。
【図１０】図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【図１１】図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【図１２】図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【図１３】図１２のステップＳ３２３のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【図１４】燃料電池セルの総運転時間ｔｗと、セル電圧Ｖａとセパレータの電圧との差ΔＶ、および、燃料電池セルの下流における排出水の導電率Ｓとの関係を示す図である。
【図１５】図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【図１６】図６のステップＳ３００のサブルーチンフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【０１７８】
１    燃料電池スタック（燃料電池）、
２    燃料電池セル（燃料電池）、
３    燃料電池システム、
２００    ＭＥＡ、
２０１Ａ、２０１Ｂ    セパレータ、
２０３Ａ    アノード触媒層（触媒層）、
２０３Ｂ    カソード触媒層（触媒層）、
２０４Ａ、２０４Ｂ    ガス拡散層、
２０５Ａ    アノード電極、
２０５Ｂ    カソード電極、
２１１Ａ    アノード反応ガス流路、
２１１Ｂ    カソード反応ガス流路、
３１２    水素流量コントローラ（排水制御手段、ガス流量低下手段、ガス流量増加手段、加湿量低下手段）、
３２２    空気流量コントローラ（排水制御手段、ガス流量低下手段、ガス流量増加手段、加湿量低下手段）、
３３２    冷却水流量コントローラ（排水制御手段、温度上昇手段、冷却水循環量低下手段、）、
３４１    電圧計、
３４２    電流計、
３４３    温度計、
３４４    圧力計、
３４５    導電率計、
３５０    コントロールユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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