(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体と、
前記アノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を有する燃料電池と、
前記燃料ガス流路を介して、前記アノードへの燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、
前記酸化剤ガス流路を介して、前記カソードへの酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、
前記燃料電池において、前記電解質膜の面内における含水量分布と、前記燃料ガス流路内における残水量分布と、前記酸化剤ガス流路内における残水量分布 と、を含む水分布に起因する前記膜電極接合体の面内における局所的な発電集中に伴う事象が生じているか否かの判定を行う発電集中判定部と、
前記発電集中判定部によって、前記事象が生じていると判定された場合に、該事象が解消されるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記膜電極接合体の外周部に設けられたフレーム部材と、
前記フレーム部材における第１の部位に設けられ、該第１の部位の温度を検出するための第１の温度センサと、
前記フレーム部材において、前記第１の部位よりも温度が高くなる第２の部位に設けられ、該第２の部位の温度を検出するための第２の温度センサと、
を備え、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きいか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度 との差が、前記所定の閾値以下になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差と、前記所定の閾値との差に基づいて、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記第１の部位は、前記カソードに前記酸化剤ガスが導入される部位の近傍の部位であり、
前記第２の部位は、前記カソードから前記カソードオフガスが排出される部位の近傍の部位である、
燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体と、
前記アノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
前記膜電極接合体の外周部に設けられたフレーム部材と、
前記フレーム部材における第１の部位に設けられ、該第１の部位の温度を検出するための第１の温度センサと、
前記フレーム部材において、前記第１の部位よりも温度が高くなる第２の部位に設けられ、該第２の部位の温度を検出するための第２の温度センサと、
を有する燃料電池と、
前記燃料ガス流路を介して、前記アノードへの燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、
前記酸化剤ガス流路を介して、前記カソードへの酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、
を備え、
前記制御方法は、
前記燃料電池において、前記電解質膜の面内における含水量分布と、前記燃料ガス流路内における残水量分布と、前記酸化剤ガス流路内における残水量分布 と、を含む水分布に起因する前記膜電極接合体の面内における局所的な発電集中に伴う事象が生じているか否かの判定を行う発電集中判定工程と、
前記発電集中判定工程によって、前記事象が生じていると判定された場合に、該事象が解消されるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する制御工程と、
を備え、
前記発電集中判定工程は、前記判定として、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きいか否かの判定を行う工程を含み、
前記制御工程は、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度 との差が、前記所定の閾値以下になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する工程を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【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、および、燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池では、一般に、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体が用いられる。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。
【０００３】
このような固体高分子型燃料電池では、発電時に、膜電極接合体が備える電解質膜の面内において、含水量分布（湿潤状態の分布）に偏りが生じ、この含水量分布の偏りによって、発電分布に偏りが生じる場合がある。そして、電解質膜の面内において、局所的な含水量不足が生じると、含水量不足が生じていない他の領域において、単位面積当たりの発電量が許容値を超えてしまう場合がある。以下、膜電極接合体において、局所的に単位面積当たりの発電量が許容値を超えることを、「局所的に発電が集中する」あるいは「局所的な発電集中」と言う。そして、この発電集中は、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。また、カソードの表面に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路内において、例えば、発電時に生成された生成水が液体として残留する残水量分布に偏りが生じ、この残水量分布によっても、発電分布に偏りが生じる場合がある。そして、酸化剤ガス流路内において、局所的な残水量過多が生じると、カソードの一部の領域への酸化剤ガスの供給不足が生じ、酸化剤ガスの供給不足が生じていない他の領域において、局所的に発電が集中し、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。このことは、アノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路についても同様である。つまり、膜電極接合体の面内における水分布（上述した含水量分布、および、残水量分布）に起因する局所的な発電集中によって、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。また、膜電極接合体の面内における温度分布の偏りによっても発電分布に偏りが生じ、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。そして、膜電極接合体の局所的な劣化は、燃料電池全体としての早期劣化を招く。
【０００４】
そこで、膜電極接合体の面内において、発電分布の均一化を図るための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池システムについて、セル（燃料電池）における発電面内の酸化剤ガスの流れる方向に沿って少なくとも２ヶ所に温度計測手段や、セル電圧計測手段を設け、これらによって計測された温度差や、電圧差に基づいて、発電面内の発電量分布の偏りを推定し、発電量分布の偏りが大きいほど、燃料電池に流す冷却液や、酸化剤ガスの供給量を多くする技術が記載されている。そして、この技術によれば、発電量分布に大きな偏りが生じて発電面内の局部的な電流集中による温度上昇の影響を低減することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１７５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、先に説明した水分布に起因する膜電極接合体の面内における局所的な発電集中については考慮されていなかった。また、上記特許文献１に記載された技術では、セルにおける発電面内に温度計測手段や、セル電圧検出手段を設けるので、燃料電池の構成が複雑になったり、温度計測手段や、セル電圧検出手段が、発電面内におけるガスの流れを阻害したりする課題を招いていた。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池において、水分布に起因する膜電極接合体の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体の局所的な劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
（１）本発明の第１の形態は、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体と、前記アノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、前記カソードの表面に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、を有する燃料電池と；前記燃料ガス流路を介して、前記アノードへの燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス流路を介して、前記カソードへの酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、
前記燃料電池において、前記電解質膜の面内における含水量分布と、前記燃料ガス流路内における残水量分布と、前記酸化剤ガス流路内における残水量分布 と、を含む水分布に起因する前記膜電極接合体の面内における局所的な発電集中に伴う事象が生じているか否かの判定を行う発電集中判定部と、前記発電集中判定部によって、前記事象が生じていると判定された場合に、該事象が解消されるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって；前記燃料電池は、前記膜電極接合体の外周部に設けられたフレーム部材と、前記フレーム部材における第１の部位に設けられ、該第１の部位の温度を検出するための第１の温度センサと、前記フレーム部材において、前記第１の部位よりも温度が高くなる第２の部位に設けられ、該第２の部位の温度を検出するための第２の温度センサと、を備え、前記発電集中判定部は、前記判定として、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きいか否かの判定を行い、前記制御部は、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度 との差が、前記所定の閾値以下になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する。
（２）本発明の第２の形態は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体と、前記アノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、前記カソードの表面に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、前記膜電極接合体の外周部に設けられたフレーム部材と、前記フレーム部材における第１の部位に設けられ、該第１の部位の温度を検出するための第１の温度センサと、前記フレーム部材において、前記第１の部位よりも温度が高くなる第２の部位に設けられ、該第２の部位の温度を検出するための第２の温度センサと、を有する燃料電池と、前記燃料ガス流路を介して、前記アノードへの燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス流路を介して、前記カソードへの酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、を備え、前記制御方法は、前記燃料電池において、前記電解質膜の面内における含水量分布と、前記燃料ガス流路内における残水量分布と、前記酸化剤ガス流路内における残水量分布 と、を含む水分布に起因する前記膜電極接合体の面内における局所的な発電集中に伴う事象が生じているか否かの判定を行う発電集中判定工程と、前記発電集中判定工程によって、前記事象が生じていると判定された場合に、該事象が解消されるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する制御工程と、を備え、前記発電集中判定工程は、前記判定として、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きいか否かの判定を行う工程を含み、前記制御工程は、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度 との差が、前記所定の閾値以下になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する工程を含む。
【０００９】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体と、
前記アノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を有する燃料電池と、
前記燃料ガス流路を介して、前記アノードへの燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、
前記酸化剤ガス流路を介して、前記カソードへの酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、
前記燃料電池において、前記電解質膜の面内における含水量分布と、前記燃料ガス流路内における残水量分布と、前記酸化剤ガス流路内における残水量分布と、を含む水分布に起因する前記膜電極接合体の面内における局所的な発電集中に伴う事象が生じているか否かの判定を行う発電集中判定部と、
前記発電集中判定部によって、前記事象が生じていると判定された場合に、該事象が解消されるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムによって、水分布に起因する膜電極接合体の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体の局所的な劣化を抑制することができる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記膜電極接合体の外周部に設けられたフレーム部材と、
前記フレーム部材における第１の部位に設けられ、該第１の部位の温度を検出するための第１の温度センサと、
前記フレーム部材において、前記第１の部位よりも温度が高くなる第２の部位に設けられ、該第２の部位の温度を検出するための第２の温度センサと、
を備え、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きいか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差が、前記所定の閾値以下になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する、
燃料電池システム。
【００１２】
膜電極接合体は、発電時に、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発熱し、この発熱は、上記フレーム部材に伝導する。そして、膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じていない場合には、膜電極接合体の面内における温度分布の偏りは比較的小さい。このため、上記フレーム部材における温度分布も比較的小さい。一方、膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じると、局所的に発熱が増大して、膜電極接合体の面内における温度分布に比較的大きな偏りが生じる。このため、上記フレーム部材における温度分布にも比較的大きな偏りが生じる。
【００１３】
適用例２の燃料電池システムでは、上記フレーム部材における上記第２の部位の温度と上記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きい場合に、膜電極接合体の面内において、上記発電集中が生じていると判定することができる。したがって、後述する他の適用例よりも簡易な演算によって、上記発電集中が生じているか否か（上記発電集中に伴う事象が生じているか否か）の判定を行うことができる。そして、上記発電集中を解消することができる。また、上記閾値を比較的小さい値とすれば、上記発電集中を回避することもできる。
【００１４】
また、適用例２の燃料電池システムでは、上記第１の温度センサ、および、上記第２の温度センサは、膜電極接合体の面内ではなく、上記フレーム部材に設けられるので、上記第１の温度センサ、および、上記第２の温度センサを膜電極接合体の面内に設ける場合と比較して、燃料電池の構成が複雑になることを抑制したり、膜電極接合体の表面におけるガスの流れが阻害されることを回避したりすることができる。
【００１５】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、さらに、前記第２の部位の温度と前記第１の部位の温度との差と、前記所定の閾値との差に基づいて、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する、
燃料電池システム。
【００１６】
上記制御値としては、例えば、カソードへの酸化剤ガスの供給流量や、カソードオフガスの背圧や、アノードへの燃料ガスの供給流量や、これらの制御を継続する継続時間などの種々のパラメータ値が挙げられる。
【００１７】
先に説明したように、膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じると、局所的に発熱が増大して、膜電極接合体の面内における温度分布に比較的大きな偏りが生じる。このため、上記フレーム部材における温度分布にも比較的大きな偏りが生じる。さらに、上記発電集中の程度が大きいほど、膜電極接合体の面内における温度分布の偏りが大きくなる。
【００１８】
適用例３の燃料電池システムでは、上記第２の部位の温度と上記第１の部位の温度との差が、所定の閾値よりも大きいほど、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中の程度が大きいものと推定する。そして、制御部は、上記発電集中の程度、すなわち、上記第２の部位の温度と上記第１の部位の温度との差と、所定の閾値との差に基づいて、上記局所的な含水量不足を解消するように、燃料ガス給排気部と、酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する。したがって、上記制御値を、上記発電集中の程度に基づかずに、既定値とする場合よりも、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。この結果、上記制御に要するエネルギを抑制し、燃料電池システムにおけるエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【００１９】
［適用例４］
適用例２または３記載の燃料電池システムであって、
前記第１の部位は、前記カソードに前記酸化剤ガスが導入される部位の近傍の部位であり、
前記第２の部位は、前記カソードから前記カソードオフガスが排出される部位の近傍の部位である、
燃料電池システム。
【００２０】
ここで、「カソードに酸化剤ガスが導入される部位の近傍の部位」とは、例えば、酸化剤ガスの流れ方向についての上流側１／４の範囲内の部位とすることができる。また、「カソードからカソードオフガスが排出される部位の近傍の部位」とは、例えば、酸化剤ガスの流れ方向についての下流側１／４の範囲内の部位とすることができる。
【００２１】
膜電極接合体の面内において、カソードに酸化剤ガスが導入される部位に近いほど、電解質膜の面内における含水量不足が生じやすい傾向があり、カソードからカソードオフガスが排出される部位に近いほど、電解質膜の面内における含水量不足は生じにくい傾向がる。このため、膜電極接合体の面内において、カソードに酸化剤ガスが導入される部位に近いほど、発電時の発熱が少なくなり、温度が低くなる傾向があり、カソードからカソードオフガスが排出される部位に近いほど、発電時の発熱が多くなり、温度が高くなる傾向がある。
【００２２】
適用例４の燃料電池システムでは、上記第１の部位を、膜電極接合体の面内において、温度が低くなりやすい部位の近傍の部位とし、上記第２の部位を、膜電極接合体の面内において、温度が高くなりやすい部位の近傍の部位としているので、両者間の温度差は、比較的大きくなる。したがって、上記第１および第２の温度センサによる検出誤差の上記判定への悪影響を小さくすることができる。
【００２３】
なお、適用例２〜４の燃料電池システムでは、発電集中判定部は、上記第２の部位の温度と上記第１の部位の温度との差に基づいて、上記判定を行うものとしたが、例えば、上記第２の部位の温度と上記第１の部位の温度との比に基づいて、上記判定を行うものとしてもよい。こうすることによっても、適用例２〜４の燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。
【００２４】
［適用例５］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記電解質膜の面内における所定部位における含水量を推定し、該含水量が、前記燃料電池の運転条件ごとに定められた閾値未満であるか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記含水量が、前記閾値未満である場合に、前記含水量が、前記閾値以上になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００２５】
ここで、「燃料電池の運転条件」としては、例えば、燃料電池から出力される電流値や、アノードへの燃料ガスの供給流量や、アノードへの燃料ガスの供給圧力や、カソードへの酸化剤ガスの供給流量や、カソードオフガスの背圧や、燃料電池に供給される冷却水の温度や、燃料電池から排出される冷却水の温度などの種々のパラメータが挙げられる。これは、以下に説明する他の適用例においても同様である。
【００２６】
適用例５の燃料電池システムでは、上記含水量を推定し、この含水量が、上記燃料電池の運転条件ごとに定められた閾値未満である場合に、膜電極接合体の面内において、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中が生じていると判定することができる。そして、上記発電集中を解消することができる。また、上記閾値を比較的大きい値とすれば、上記発電集中を回避することもできる。
【００２７】
なお、電解質膜の面内における所定部位における含水量は、上述した燃料電池の運転条件における各種パラメータを変数とする関数や、マップを用いて推定することができる。
【００２８】
［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記閾値と前記含水量との差に基づいて、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する、
燃料電池システム。
【００２９】
上記制御値としては、例えば、カソードへの酸化剤ガスの供給流量や、カソードオフガスの背圧や、アノードへの燃料ガスの供給流量や、これらの制御を継続する継続時間などの種々のパラメータ値が挙げられる。
【００３０】
適用例６の燃料電池システムでは、上記含水量が、上記燃料電池の運転条件ごとに定められた閾値よりも少ないほど、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中の程度が大きいものと推定する。そして、制御部は、上記発電集中の程度、すなわち、上記閾値と上記含水量との差に基づいて、上記局所的な含水量不足を解消するように、燃料ガス給排気部と、酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する。したがって、上記制御値を、上記発電集中の程度に基づかずに、既定値とする場合よりも、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。この結果、上記制御に要するエネルギを抑制し、燃料電池システムにおけるエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
［適用例７］
適用例５または６記載の燃料電池システムであって、
前記所定部位は、前記燃料電池の運転時に、前記電解質膜の面内において含水量が少なくなりやすい部位である、
燃料電池システム。
【００３２】
燃料電池の運転時に、電解質膜の面内において含水量が少なくなりやすい部位では、燃料電池の運転条件に応じて、電解質膜の含水量が変化しやすい。適用例７の燃料電池システムでは、発電集中判定部は、電解質膜の面内において含水量が少なくなりやすい部位における含水量を推定するので、上記判定を高感度で行うことができる。
【００３３】
［適用例８］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記カソードにおける前記酸化剤ガスの流れ方向について、前記電解質膜を介して前記アノードと前記カソードとの間で移動する水分の移動量の分布を推定し、前記カソードオフガスが排出される部位と前記水分の移動量がゼロとなる部位との距離が、所定の閾値未満であるか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記カソードオフガスが排出される部位と前記水分の移動量がゼロとなる部位との距離が、前記所定の閾値未満である場合に、前記カソードオフガスが排出される部位と前記水分の移動量がゼロとなる部位との距離が、前記所定の閾値以上になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００３４】
本願発明者は、上述した燃料電池の種々の運転条件下で、カソードにおける酸化剤ガスの流れ方向について、電解質膜を介してアノードとカソードとの間で移動する水分の移動量の分布を推定するシミュレーション、および、上記発電集中についての実験を繰り返し行った。その結果、カソードオフガスが排出される部位と上記水分の移動量がゼロとなる部位との距離が近いほど、上記発電集中が生じ、カソードオフガスが排出される部位と上記水分の移動量がゼロとなる部位との距離が遠いほど、上記発電集中が生じないことを見出した。適用例８、および、後述する適用例９の燃料電池システムは、上記知見に基づくものである。なお、電解質膜を介してアノードとカソードとの間で移動する水分の移動量の分布は、適用例５の燃料電池システムにおける上記含水量の推定と同様に、上述した燃料電池の運転条件における各種パラメータを変数とする関数や、マップを用いて推定することができる。
【００３５】
適用例８の燃料電池システムでは、カソードオフガスが排出される部位と水分の移動量がゼロとなる部位との距離が、所定の閾値未満である場合に、膜電極接合体の面内において、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中が生じていると判定することができる。そして、上記発電集中を解消することができる。また、上記閾値を比較的大きい値とすれば、上記発電集中を回避することもできる。
【００３６】
［適用例９］
適用例８記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記所定の閾値と前記カソードオフガスが排出される部位と前記水分の移動量がゼロとなる部位との距離との差に基づいて、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する、
燃料電池システム。
【００３７】
適用例９の燃料電池システムでは、カソードオフガスが排出される部位と水分の移動量がゼロとなる部位との距離が、所定の閾値よりも小さいほど、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中の程度が大きいものと推定する。そして、制御部は、上記発電集中の程度、すなわち、上記所定の閾値とカソードオフガスが排出される部位と水分の移動量がゼロとなる部位との距離との差に基づいて、上記局所的な含水量不足を解消するように、燃料ガス給排気部と、酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも酸化剤ガス給排気部についての制御値を決定する。したがって、上記制御値を、上記発電集中の程度に基づかずに、既定値とする場合よりも、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。この結果、上記制御に要するエネルギを抑制し、燃料電池システムにおけるエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【００３８】
［適用例１０］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記カソードにおける前記酸化剤ガスの流れ方向について、前記電解質膜を介して前記アノードと前記カソードとの間で移動する水分の移動量の分布を推定し、該水分の移動量の分布を表す関数を求め、該関数に変曲点が存在するか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記関数に変曲点が存在する場合に、該変曲点が存在しなくなるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００３９】
本願発明者は、上述した燃料電池の種々の運転条件下で、カソードにおける酸化剤ガスの流れ方向について、電解質膜を介してアノードとカソードとの間で移動する水分の移動量の分布を推定するシミュレーション、および、上記発電集中についての実験を繰り返し行った。その結果、上記水分の移動量の分布を表す関数に変曲点が存在する場合に、上記発電集中が生じ、上記関数に変曲点が存在しない場合には、上記発電集中は生じないことを見出した。適用例１０の燃料電池システムは、上記知見に基づくものである。なお、電解質膜を介してアノードとカソードとの間で移動する水分の移動量の分布は、適用例８の燃料電池システムと同様に、上述した燃料電池の運転条件における各種パラメータを変数とする関数や、マップを用いて推定することができる。
【００４０】
適用例１０の燃料電池システムでは、上記水分の移動量の分布を表す関数に変曲点が存在する場合に、膜電極接合体の面内において、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中が生じていると判定することができる。そして、上記発電集中を解消することができる。
【００４１】
［適用例１１］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記膜電極接合体の面内におけるピーク電流を求め、該ピーク電流が、前記燃料電池の運転条件ごとに定められた閾値よりも大きいか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記ピーク電流が、前記閾値よりも大きい場合に、前記ピーク電流が、前記閾値以下になるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する、
燃料電池システム。
【００４２】
適用例１１の燃料電池システムでは、膜電極接合体の面内におけるピーク電流が、所定の閾値よりも大きい場合に、膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じていると判定することができる。そして、上記発電集中を解消することができる。また、また、上記閾値を比較的小さい値とすれば、上記発電集中を回避することもできる。
【００４３】
なお、膜電極接合体の面内におけるピーク電流は、例えば、上述した燃料電池の運転条件における各種パラメータを変数とする関数や、マップを用いて推定することができる。
【００４４】
［適用例１２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記発電集中判定部は、前記判定として、前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記膜電極接合体の面内における電流密度分布の標準偏差を求め、該標準偏差が、所定の閾値よりも大きいか否かの判定を行い、
前記制御部は、前記標準偏差が、前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記標準偏差が、前記所定の閾値以下となるように、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する、
燃料電池システム。
【００４５】
適用例１２の燃料電池システムでは、膜電極接合体の面内における電流密度分布の標準偏差が、所定の閾値よりも大きい場合に、膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じていると判定することができる。そして、上記発電集中を解消することができる。また、上記閾値を比較的小さい値とすれば、上記発電集中を回避することもできる。
【００４６】
なお、膜電極接合体の面内における電流密度は、上述した燃料電池の運転条件における各種パラメータを変数とする関数や、マップを用いて推定することができる。
【００４７】
膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じた場合には、実効的な発電面積が減少するため、燃料電池の出力が所望の出力よりも低下することが多い。したがって、上述した各適用例の燃料電池システムに、さらに、燃料電池の出力を検出する出力検出部を備えるようにして、発電集中判定部による判定に、燃料電池の出力の低下を考慮するようにしてもよい。また、膜電極接合体の面内において、上記水分布に起因する局所的な発電集中が生じた場合には、燃料電池のインピーダンスが所望の値よりも増大したり、短期間に激しく変化したりする。したがって、上述した各適用例の燃料電池システムに、さらに、燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を備えるようにして、発電集中判定部による判定に、燃料電池のインピーダンスを考慮するようにしてよい。
【００４８】
［適用例１３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記発電集中判定部は、さらに、前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記水分布の推定を行い、該推定の結果に基づいて、前記発電集中の原因が、前記電解質膜における局所的な含水量不足と、前記燃料ガス流路における局所的な残水量過多と、前記酸化剤ガス流路における局所的な残水量過多と、のうちのいずれであるのかの特定を行い、
前記制御部は、前記特定された前記発電集中の原因に基づいて、前記燃料ガス給排気部と、前記酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御する、
燃料電池システム。
【００４９】
適用例１３の燃料電池システムでは、発電集中判定部が、上述した燃料電池の運転条件に基づいて、上記水分布に起因する局所的な発電集中の原因を特定するので、制御部は、特定された発電集中の原因に基づいて、その発電集中が解消されるように、適切に、燃料ガス給排気部と、酸化剤ガス給排気部とのうちの少なくとも一方を制御することができる。
【００５０】
なお、電解質膜の面内における含水量分布と、燃料ガス流路内における残水量分布と、酸化剤ガス流路内における残水量分布と、を含む水分布の推定は、上述した燃料電池の運転条件における各種パラメータを変数とする関数や、マップを用いて行うことができる。
【００５１】
［適用例１４］
適用例１３記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電集中の原因が、前記電解質膜における局所的な含水量不足であると特定された場合に、前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給流量を減少させるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００５２】
適用例１４の燃料電池システムによって、電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。
【００５３】
［適用例１５］
適用例１３または１４記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電集中の原因が、前記電解質膜における局所的な含水量不足であると特定された場合に、前記カソードオフガスの背圧を増大させるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００５４】
適用例１５の燃料電池システムによっても、電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。
【００５５】
［適用例１６］
適用例１３ないし１５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電集中の原因が、前記電解質膜における局所的な含水量不足であると特定された場合に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給流量を増大させるように、前記燃料ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００５６】
適用例１６の燃料電池システムによって、膜電極接合体における発電量を増大させ、生成水の生成量を増大させて、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。
【００５７】
［適用例１７］
適用例１３ないし１６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電集中の原因が、前記燃料ガス流路における局所的な残水量過多であると特定された場合に、前記アノードへの前記燃料ガスの供給流量を増大させるように、前記燃料ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００５８】
適用例１７の燃料電池システムによって、燃料ガス流路内に局所的に残留する液体の水を、燃料電池の外部に排出させ、燃料ガス流路における局所的な残水量過多に起因する局所的な発電集中を解消することができる。
【００５９】
［適用例１８］
適用例１３ないし１７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電集中の原因が、前記酸化剤ガス流路における局所的な残水量過多であると特定された場合に、前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給流量を増大させるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００６０】
適用例１８の燃料電池システムによって、酸化剤ガス流路内に局所的に残留する液体の水を、燃料電池の外部に排出させ、酸化剤ガス流路における局所的な残水量過多に起因する局所的な発電集中を解消することができる。
【００６１】
［適用例１９］
適用例１３ないし１８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電集中の原因が、前記酸化剤ガス流路における局所的な残水量過多であると特定された場合に、前記カソードオフガスの背圧を減少させるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００６２】
適用例１９の燃料電池システムによっても、酸化剤ガス流路内に局所的に残留する液体の水を、燃料電池の外部に排出させ、酸化剤ガス流路における局所的な残水量過多に起因する局所的な発電集中を解消することができる。
【００６３】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００６４】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】膜電極接合体において生じる発電集中の一例を示す説明図である。
【図３】膜電極接合体１２の外周部に設けられたフレーム部材１４を示す説明図である。
【図４】フレーム部材１４に設けられた２つの温度センサ１４ｂ，１４ａによってそれぞれ検出された温度Ｔ２と温度Ｔ１との差（Ｔ２−Ｔ１）と図３中にハッチングを付して示した膜電極接合体１２の領域Ｒにおける電流密度との関係を示す説明図である。
【図５】第１実施例の燃料電池システム１００における発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】乾燥抑制制御におけるカソードオフガスの背圧の決定方法を示す説明図である。
【図７】第２実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】燃料電池スタック１０の種々の運転条件についての電解質膜の含水量と発電量との関係を示す説明図である。
【図９】乾燥抑制制御におけるカソードオフガスの背圧の決定方法を示す説明図である。
【図１０】第３実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】膜電極接合体１２の面内における極間水移動量分布と局所的な発電集中との関係を示す説明図である。
【図１２】乾燥抑制制御におけるカソードオフガスの背圧の決定方法を示す説明図である。
【図１３】第４実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】膜電極接合体１２の面内における極間水移動量分布と局所的な発電集中との関係を示す説明図である。
【図１５】第５実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】燃料電池スタック１０の種々の運転条件についてのカソードオフガスの背圧とピーク電流Ｉｐとの関係を示す説明図である。
【図１７】第６実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図１８】燃料電池スタック１０の種々の運転条件についてのアノードオフガスの背圧と電流密度分布の標準偏差Ｖｉとの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００において、燃料電池（ＦＣ）スタック１０は、水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体と、アノードの表面に沿って水素を流すための燃料ガス流路と、カソードの表面に沿って空気を流すための酸化剤ガス流路と、冷却水を流すための冷却水流路とを備えている（図示省略）。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を利用するものとした。
【００６７】
燃料電池スタック１０のアノードには、水素供給配管２４を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いるものとしてもよい。
【００６８】
水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、インジェクタ２３等によって圧力、および、供給量が調整されて、燃料電池スタック１０の各アノードに供給される。なお、水素供給配管２４には、水素供給配管２４内の圧力を検出するための圧力センサ２４Ｐが配設されている。
【００６９】
そして、アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、アノードオフガス排出配管２５に排出される。アノードオフガス排出配管２５に排出された発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環配管２６を介して、水素供給配管２４に再循環させることができる。なお、アノードオフガスの圧力は、燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費された結果、比較的低い状態となっている。このため、循環配管２６には、アノードオフガスの再循環時に、アノードオフガスを加圧するための水素循環ポンプ２７が配設されている。水素循環ポンプ２７には、アノードオフガスの循環流量を検出するための流量センサ２７Ｆが設けられている。アノードオフガス排出配管２５には、配管２８が分岐して接続されており、この配管２８には、パージ弁２９が配設されている。このパージ弁２９が閉じられている間は、発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環配管２６を介して、再び燃料電池スタック１０に循環される。こうすることによって、水素を有効利用することができる。
【００７０】
アノードオフガスの再循環中、水素は発電で消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソード側からアノード側に電解質膜を介して透過した窒素などは、消費されずに残留するため、アノードオフガス中の不純物の濃度は、徐々に増大する。このとき、パージ弁２９が開弁されると、アノードオフガスは、配管２８，４０を介して、後述するカソードオフガスとともに、燃料電池システム１００の外部に排出される。こうすることによって、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減することができる。
【００７１】
水素タンク２０と、シャットバルブ２１と、レギュレータ２２と、インジェクタ２３と、水素供給配管２４と、圧力センサ２４Ｐと、アノードオフガス排出配管２５と、循環配管２６と、水素循環ポンプ２７と、流量センサ２７Ｆと、配管２８と、パージ弁２９と、配管４０とは、［発明を解決するための手段］における燃料ガス給排気部に相当する。
【００７２】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有した酸化剤ガスとして、圧縮空気が供給される。空気は、エアクリーナ３０から吸入され、エアコンプレッサ３１によって圧縮され、配管３２を介して、加湿装置３３に導入されて加湿された後、空気供給配管３４から燃料電池スタック１０のカソードに供給される。エアコンプレッサ３１には、空気の供給流量を検出するための流量センサ３１Ｆが設けられている。
【００７３】
カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３５に流出する。配管３５には、カソードオフガスの背圧を検出するための圧力センサ３５Ｐ、および、カソードオフガスの背圧を調整するための圧力調節弁３６が配設されている。燃料電池システム１００から配管３５に流出した高湿度のカソードオフガスは、加湿装置３３に導入され、空気の加湿に利用された後、配管３７，４０を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００７４】
エアクリーナ３０と、エアコンプレッサ３１と、流量センサ３１Ｆと、配管３２と、加湿装置３３と、空気供給配管３４と、配管３５と、圧力センサ３５Ｐと、圧力調節弁３６と、配管３７と、配管４０とは、［課題を解決するための手段］における酸化剤ガス給排気部に相当する。
【００７５】
燃料電池スタック１０は、上述した電気化学反応によって発熱する。このため、燃料電池スタック１０の温度を発電に適した温度に維持するために、燃料電池スタック１０には、冷却水も供給される。この冷却水は、ウォータポンプ５１によって、冷却水用の配管５２を流れ、ラジエータ５０によって冷却されて、燃料電池スタック１０に供給される。配管５２には、図示するように、ラジエータ５０を通さずに、冷却水を循環させるためのバイパス配管５３が接続されており、さらに、配管５２とバイパス配管５３との一方の接続部には、ロータリ弁５４が配設されている。ロータリ弁５４を切り換えることによって、ラジエータ５０を通さずに、配管５２、および、バイパス配管５３を介して、冷却水を循環させることも可能である。なお、図示するように、ラジエータ５０の冷却水の流れ方向についての上流側の配管５２には、燃料電池スタック１０から排出された冷却水の温度を検出するための温度センサ５５が配設されている。また、ウォータポンプ５１の冷却水の流れ方向についての下流側の配管５２には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の温度を検出するための温度センサ５６が配設されている。
【００７６】
また、燃料電池スタック１０には、セルモニタ６０が接続されている。セルモニタ６０は、燃料電池スタック１０における各セルについて、セル電圧、電流、インピーダンス等を検出する。
【００７７】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット７０によって制御される。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。ＲＯＭには、上記プログラムの他に、燃料電池システム１００の制御に用いられる各種マップや、閾値等も記憶されている。制御ユニット７０は、具体的には、例えば、燃料電池スタック１０に対する要求出力や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブや、水素循環ポンプ２７、ウォータポンプ５１や、エアコンプレッサ３１の駆動等、後述する発電集中抑制制御処理を含むシステムの運転を制御する。制御ユニット７０は、［課題を解決するための手段］における発電集中判定部、制御部に相当する。
【００７８】
Ａ２．発電集中：
本実施例の燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０は、先に説明したように、電解質膜として固体高分子膜を用いた膜電極接合体を備えているため、所望の発電性能を得るためには、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。しかし、発電時に、電解質膜の面内において、含水量分布（湿潤状態の分布）に偏りが生じ、この含水量の偏りによって、発電分布に偏りが生じる場合がある。そして、電解質膜の面内において、局所的な含水量不足が生じると、含水量不足が生じていない他の領域において、局所的な発電集中が生じ、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。
【００７９】
図２は、膜電極接合体において生じる発電集中の一例を示す説明図である。図２（ａ）に、本実施例の燃料電池スタック１０における膜電極接合体１２の形状、膜電極接合体１２の表面における水素および空気の流れ方向、および、セルにおける冷却水の流れ方向等を示した。また、図２（ｂ）に、膜電極接合体１２における水素および空気の流れ方向についての発電分布、および、発電集中の様子を示した。
【００８０】
図２（ａ）に示したように、本実施例では、膜電極接合体１２は、矩形形状を有するものとした。そして、膜電極接合体１２の表面において、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路は、水素および空気が、膜電極接合体１２の短辺に沿った方向であって、互いに対向する方向に流れるように設けられているものとした。このような膜電極接合体１２では、空気の流れ方向についての上流側ほど、電解質膜が乾燥しやすくなり、下流側ほど、電解質膜が乾燥しにくくなる。換言すれば、膜電極接合体１２の面内において、空気の流れ方向についての上流側ほど、電解質膜の含水量が少なくなり、下流側ほど、電解質膜の含水量が多くなる。また、本実施例では、セルにおける冷却水の流れ方向は、膜電極接合体１２の長辺に沿った方向であるものとした。そして、冷却水の流れ方向についての上流側ほど電解質膜が乾燥しにくくなり、下流側ほど電解質膜が乾燥しやすくなる。すなわち、冷却水の流れ方向についての上流側ほど、電解質膜の含水量が多くなり、下流側ほど、電解質膜の含水量が少なくなる。
【００８１】
そして、図２（ｂ）に示したように、膜電極接合体１２では、電解質の面内における含水量分布に起因して、空気の流れ方向についての上流側ほど、発電量が少なくなり、下流側ほど、発電量が多くなる。さらに、燃料電池スタック１０に対する要求出力が増大した場合、すなわち、要求出力が比較的低い低負荷状態（「○」）から、要求出力が比較的高い高負荷状態（「□」）に変化した場合には、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の含水量が比較的少ない、空気の流れ方向についての上流側では、発電量の増加量が比較的小さいのに対し、電解質膜の含水量が比較的多い、空気の流れ方向についての下流側では、発電量の増加量が大きくなる。すなわち、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における含水量分布に起因する局所的な発電集中が生じる。
【００８２】
また、図示および詳細な説明は省略するが、膜電極接合体１２の表面に設けられた燃料ガス流路内や、酸化剤ガス流路内において、例えば、発電時に生成された生成水が液体として残留する残水量分布に偏りが生じ、この残水量分布によっても、発電分布に偏りが生じる場合がある。そして、燃料ガス流路内や、酸化剤ガス流路内において、局所的な残水量過多が生じると、アノードの一部の領域への水素の供給不足や、カソードの一部の領域への空気の供給不足が生じ、水素の供給不足や、空気の供給不足が生じていない他の領域において、局所的に発電が集中し、膜電極接合体１２の局所的な劣化を招く。つまり、膜電極接合体の面内における水分布（上述した含水量分布、および、残水量分布）に起因する局所的な発電集中によって、膜電極接合体の局所的な劣化を招く。
【００８３】
そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御ユニット７０が備えるＣＰＵは、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じた通常運転制御と並行して、上述した水分布に起因する局所的な発電集中を抑制するための発電集中抑制制御処理を実行する。
【００８４】
Ａ３．発電集中抑制制御処理：
以下、図３〜図６を参照して、第１実施例の燃料電池システム１００における発電集中抑制制御処理について説明する。
【００８５】
図３は、膜電極接合体１２の外周部に設けられたフレーム部材１４を示す説明図である。なお、図３では、フレーム部材１４に設けられた、水素や、アノードオフガスや、空気や、カソードオフガスや、冷却水を、燃料電池スタック１０におけるセルの積層方向に流すための貫通孔の図示は省略されている。
【００８６】
図示するように、このフレーム部材１４において、冷却水の出口側であって、膜電極接合体１２のカソードに空気が導入される部位の近傍の部位には、この部位の温度Ｔ１を検出するための温度センサ１４ａが設けられている。また、フレーム部材１４において、冷却水の出口側であって、膜電極接合体１２のカソードからカソードオフガスが排出される部位の近傍の部位には、この部位の温度Ｔ２を検出するための温度センサ１４ｂが設けられている。発電時には、膜電極接合体１２の面内において、空気の流れ方向についての上流側の領域よりも下流側の領域の方が、発熱によって温度が高くなる。そして、膜電極接合体１２の発熱は、フレーム部材１４に伝導する。したがって、温度センサ１４ｂによって検出される温度Ｔ２は、温度センサ１４ａによって検出される温度Ｔ１よりも高くなる。
【００８７】
フレーム部材１４において、温度センサ１４ａが設けられる部位は、［課題を解決するための手段］における第１の部位に相当する。また、フレーム部材１４において、温度センサ１４ｂが設けられる部位は、［課題を解決するための手段］における第２の部位に相当する。また、温度センサ１４ａは、［課題を解決するための手段］における第１の温度センサに相当する。また、温度センサ１４ｂは、［課題を解決するための手段］における第２の温度センサに相当する。
【００８８】
図４は、フレーム部材１４に設けられた２つの温度センサ１４ｂ，１４ａによってそれぞれ検出された温度Ｔ２と温度Ｔ１との差（Ｔ２−Ｔ１）と図３中にハッチングを付して示した膜電極接合体１２の領域Ｒにおける電流密度との関係を示す説明図である。なお、膜電極接合体１２の領域Ｒは、膜電極接合体１２の面内において、最も電解質膜の含水量が少なくなりやすい領域である（図２参照）。図４では、上記関係について、実測結果を丸印で示し、シミュレーションによる計算結果を実線で示した。
【００８９】
図４から、Ｔ２−Ｔ１が大きくなるほど、膜電極接合体１２の領域Ｒにおける電流密度は低くなることが分かった。また、図示は省略しているが、Ｔ２−Ｔ１が大きくなるほど、膜電極接合体１２の領域Ｒ以外の領域における電流密度は高くなることが分かった。そこで、本実施例では、上述した知見に基づいて、Ｔ２−Ｔ１が、膜電極接合体１２の領域Ｒにおける電流密度が閾値Ｊｔｈとなる閾値Ｔｔｈよりも大きい場合に、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中が生じていると判定するものとした。また、Ｔ２−Ｔ１が閾値Ｔｔｈよりも大きいほど、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中の程度が大きいと判断するものとした。
【００９０】
図５は、第１実施例の燃料電池システム１００における発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。発電集中抑制制御処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、水分布推定処理を実行する（ステップＳ１００）。水分布推定処理とは、膜電極接合体１２が備える電解質膜の面内における含水量分布と、燃料ガス流路内における残水量分布と、酸化剤ガス流路内における残水量分布とを推定する処理である。
【００９１】
ここで、本実施例における水分布推定処理の概要について説明する。なお、以下で説明する水分布推定処理の詳細については、国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２００８／７３７８２に開示されている。
【００９２】
まず、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の運転条件、具体的には、セルモニタ６０によって検出された電流値と、温度センサ５６によって検出された冷却水の温度（以下、冷却水入口温度とも言う）と、温度センサ５５によって検出された冷却水の温度（以下、冷却水出口温度とも言う）と、流量センサ３１Ｆによって検出された空気の供給流量（以下、エア流量とも言う）と、流量センサ２７Ｆによって検出されたアノードオフガス循環流量を考慮した水素の供給流量（以下、水素流量とも言う）と、圧力センサ３５Ｐによって検出されたカソードオフガスの背圧（以下、エア背圧とも言う）と、圧力センサ２４Ｐによって検出された水素供給配管２４内の圧力（以下、水素圧とも言う）と、を読み込む（ステップＳ１）。
【００９３】
次に、ＣＰＵは、冷却水入口温度または冷却水出口温度から、カソード入口露点およびアノード入口露点を算出する（ステップＳ２）。なお、カソード入口露点およびアノード入口露点は、露点計を用いて検出するようにしてもよい。
【００９４】
次に、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜を介して、カソードからアノードに移動する水の移動速度である水移動速度ＶＨ２Ｏ，ＣＡ→ＡＮを求める（ステップＳ３）。水移動速度ＶＨ２Ｏ，ＣＡ→ＡＮは、次式（１）によって算出される。
【００９５】
ＶＨ２Ｏ，ＣＡ→ＡＮ＝ＤＨ２Ｏ×（ＰＨ２Ｏ，ＣＡ−ＰＨ２Ｏ，ＡＮ）          ・・・（１）
【００９６】
ここで、ＰＨ２Ｏ，ＣＡは、膜電極接合体１２におけるカソード側の水蒸気分圧であり、カソード入口露点により算出される。また、ＰＨ２Ｏ，ＡＮは、膜電極接合体１２におけるアノード側の水蒸気分圧であり、アノード入口露点により算出される。また、ＤＨ２Ｏは、膜電極接合体１２における電解質膜中の水拡散係数である。
【００９７】
次に、ＣＰＵは、水移動速度、カソード入口露点、アノード入口露点、冷却水出口温度、エア背圧、水素圧、エア流量、水素流量、および、電流値から、関数やマップを用いて、膜電極接合体１２における分割された各面内領域での電流密度を算出する（ステップＳ４）。また、ＣＰＵは、カソード入口露点、アノード入口露点、冷却水出口温度、エア背圧、水素圧、エア流量、水素流量、水移動速度から、関数やマップを用いて、膜電極接合体１２の面内の電流分布、および、相対湿度分布を算出する（ステップＳ４）。
【００９８】
次に、ＣＰＵは、膜電極接合体１２におけるアノード側、および、カソード側のそれぞれについて、上述した相対湿度分布から、過飽和度度σ１（相対湿度が１００％を超えた分）、および、未飽和度σ２（相対湿度が１００％を下回った分）を算出し、水蒸気が水に変化する速度である液水生成速度Ｖｖａｐ→ｌｉｑ、および、水が水蒸気に変化する速度である液水蒸発速度Ｖｌｉｑ→ｖａｐを、次式（２），（３）によってそれぞれ算出する（ステップＳ５）。これは、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路での水の相（気相、液相）が変化することを鑑みて、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路における液水生成速度Ｖｖａｐ→ｌｉｑ、および、液水蒸発速度Ｖｌｉｑ→ｖａｐをそれぞれ算出することにしたものである。
【００９９】
Ｖｖａｐ→ｌｉｑ＝ｋ１×σ１          ・・・（２）
Ｖｌｉｑ→ｖａｐ＝ｋ２×σ２          ・・・（３）
【０１００】
ここで、係数ｋ１，ｋ２は、温度や撥水性による因子であり、反応ガス流路の物性によるものである。係数ｋ１，ｋ２は、実験から予めマップ化されている。
【０１０１】
次に、ＣＰＵは、膜電極接合体１２におけるアノード側、および、カソード側のそれぞれについて、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路での水移動速度Ｖ_liqを、次式（４）によって算出する（ステップＳ６）。燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路でのガスの流れによって、水が吹き飛ばされて膜電極接合体１２の面内から排出されるので、このことを考慮して、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路のそれぞれにおける水移動速度Ｖ_liqを算出することにしたものである。
【０１０２】
Ｖ_liq＝ｋ３×Ｖ_gas          ・・・（４）
【０１０３】
ここで、水移動速度Ｖ_liqとは、ガスによって吹き飛ばされる水の移動速度である。また、Ｖ_gasとは、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路での水蒸気流量であり、ガスの供給流量や水蒸気分圧等の状態量に関するマップから算出されたものが用いられる。係数ｋ３は、温度や撥水性による因子であり、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路の物性によるものである。ｋ３は、実験から予めマップ化されている。
【０１０４】
上述したステップＳ４〜ステップＳ６を経て、燃料ガス流路内における残水量分布、および、酸化剤ガス流路内における残水量分布を推定することができる。また、上述したステップＳ４から、膜電極接合体１２が備える電解質膜の面内における含水量分布を推定することができる。
【０１０５】
水分布推定処理（ステップＳ１００）の後、ＣＰＵは、水分布の状態を判断する（ステップＳ１１０）。すなわち、ＣＰＵは、燃料ガス流路内における残水量が局所的な発電集中を生じさせる程度に過多である（燃料ガス流路内の残水量過多）か、酸化剤ガス流路内における残水量が局所的な発電集中を生じさせる程度に過多である（酸化剤ガス流炉内の残水量過多）か、膜電極接合体１２が備える電解質膜の面内における含水量が局所的に不足している（電解質膜の含水量不足）か、これらのいずれでもないかを判断する。なお、燃料ガス流路内の残水量過多、および、酸化剤ガス流路内の残水量過多の判断基準は、例えば、実験的に規定されている。
【０１０６】
そして、ステップＳ１１０において、水分布の状態が、燃料ガス流路内の残水量過多でも、酸化剤ガス流路内の残水量過多でも、電解質膜の含水量不足でもないと判断した場合には、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、水分布に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、ステップＳ１００に処理を戻す。
【０１０７】
また、ステップＳ１１０において、水分布の状態が、燃料ガス流路内の残水量過多であると判断した場合には、ＣＰＵは、燃料ガス流路水排出制御を実行する（ステップＳ１２０）。本実施例では、燃料ガス流路水排出制御として、所定期間、水素循環ポンプ２７の回転数を増大するものとした。こうすることによって、燃料ガス流路内に局所的に残留する液体の水を、燃料電池スタック１０の外部に排出させ、燃料ガス流路における局所的な残水量過多に起因する局所的な発電集中を解消することができる。なお、ステップＳ１２０の後、ＣＰＵは、ステップＳ１００に処理を戻す。
【０１０８】
また、ステップＳ１１０において、水分布の状態が、酸化剤ガス流路内の残水量過多であると判断した場合には、ＣＰＵ、は、酸化剤ガス流路水排出制御を実行する（ステップＳ１３０）。本実施例では、酸化剤ガス流路水排出制御として、所定期間、エアコンプレッサ３１の回転数を増大するとともに、圧力調節弁３６の開度を大きくして、カソードオフガスの背圧を減少させるものとした。こうすることによって、酸化剤ガス流路内に局所的に残留する液体の水を、燃料電池スタック１０の外部に排出させ、酸化剤ガス流路における局所的な残水量過多に起因する局所的な発電集中を解消することができる。なお、ステップＳ１３０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ１００に戻す。
【０１０９】
また、ステップＳ１１０において、水分布の状態が、電解質膜の含水量不足であると判断した場合には、ＣＰＵは、温度センサ１４ａによって検出された温度Ｔ１と、温度センサ１４ｂによって検出された温度Ｔ２とを取得するとともに、ＲＯＭから閾値Ｔｔｈを読み込み（ステップＳ１４０）、（Ｔ２−Ｔ１）−Ｔｔｈを算出する（ステップＳ１５０）。そして、ＣＰＵは、（Ｔ２−Ｔ１）−Ｔｔｈが０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１６０）。（Ｔ２−Ｔ１）−Ｔｔｈが０以下である場合には（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、処理をステップＳ１００に戻す。一方、（Ｔ２−Ｔ１）が０よりも大きい場合には（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じているものとして、乾燥抑制制御を実行する（ステップＳ１７０）。本実施例では、乾燥抑制制御として、所定期間、圧力調節弁３６の開度を小さくして、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、膜電極接合体１２が備える電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。また、乾燥抑制制御として、エアコンプレッサ３１の回転数を低下させて、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を減少させたり、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて、燃料電池スタック１０への水素の供給流量を増加させたりするようにしてもよい。なお、ステップＳ１７０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ１００に戻す。
【０１１０】
図６は、乾燥抑制制御におけるカソードオフガスの背圧の決定方法を示す説明図である。先に図４を用いて説明したように、Ｔ２−Ｔ１が閾値Ｔｔｈよりも大きいほど、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中の程度が大きいと判断することができる。そこで、本実施例では、図６に示したように、Ｔ２−Ｔ１が閾値Ｔｔｈよりも大きいほど、圧力調節弁３６の開度を小さくし、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。この結果、上記制御に要するエネルギを抑制し、燃料電池システム１００におけるエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【０１１１】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック１０（固体高分子型燃料電池）において、水分布に起因する膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体１２の局所的な劣化を抑制することができる。
【０１１２】
また、第１実施例の燃料電池システム１００では、図３に示したように、温度センサ１４ａ，１４ｂが、膜電極接合体１２の面内ではなく、フレーム部材１４に設けられているので、膜電極接合体１２の面内に温度センサ１４ａ，１４ｂを設ける場合と比較して、燃料電池スタック１０の構成が複雑になることを抑制したり、膜電極接合体１２の表面におけるガスの流れを阻害することを回避したりすることができる。
【０１１３】
また、温度センサ１４ａは、フレーム部材１４において、膜電極接合体１２のカソードに空気が導入される部位の近傍の部位、すなわち、温度が低くなりやすい部位に設けられ、温度センサ１４ｂは、フレーム部材１４において、膜電極接合体１２のカソードからカソードオフガスが排出される部位の近傍の部位、すなわち、温度が高くなりやすい部位に設けられているので、両者間の温度差は、比較的大きくなる。したがって、温度センサ１４，１４ｂによる検出誤差の上記判定への悪影響を小さくすることができる。
【０１１４】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムの構成は、図３に示したフレーム部材１４に、温度センサ１４ａ，１４ｂが設けられていないこと以外は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成と同じである。そして、第２実施例の燃料電池システムでは、発電集中抑制制御処理が第１実施例における発電集中抑制制御処理と異なる。以下、第２実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理について説明する。
【０１１５】
図７は、第２実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット７０が備えるＣＰＵが、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じた通常運転制御と並行して実行する処理である。
【０１１６】
発電集中抑制制御処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０の運転条件を読み込み、含水量推定処理を実行する（ステップＳ２００）。含水量推定処理とは、膜電極接合体１２の所定部位について、電解質膜の含水量を推定する処理である。本実施例では、図３に示した膜電極接合体１２の領域Ｒ、すなわち、電解質膜の面内において含水量が最も少なくなりやすい領域における含水量を推定するものとした。なお、含水量推定処理は、先に説明した第１実施例の発電集中抑制制御処理における水分布推定処理の一部であるので、ここでは、含水量推定処理についての詳細な説明は省略する。
【０１１７】
ここで、膜電極接合体１２が備える電解質膜の含水量と膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中との関係について説明する。
【０１１８】
図８は、燃料電池スタック１０の種々の運転条件についての電解質膜の含水量と発電量との関係を示す説明図である。図８では、燃料電池スタック１０の運転温度を変化させた運転条件１〜４について、電解質膜の含水量と発電量との関係を示した。
【０１１９】
図示するように、各運転条件において、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が増加する含水量の範囲と、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が減少する含水量の範囲とがある。そして、本願発明者は、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が増加する含水量の範囲では、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中が生じることはなく、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が減少する含水量の範囲では、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じることを見出した。また、本願発明者は、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が減少する含水量の範囲において、電解質膜の含水量が少ないほど、上記発電集中の程度が大きくなることを見出した。そこで、本実施例では、図中に一点鎖線で示したように、燃料電池スタック１０の運転条件ごとに、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が増加する含水量の範囲と、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が減少する含水量の範囲との境界に、電解質膜の含水量Ｃについての閾値Ｃｔｈを規定して、以下に説明するように、発電集中抑制制御処理に用いるものとした。例えば、運転条件１（「○」）に対しては、閾値Ｃｔｈとして、Ｃｔｈ１が規定され、運転条件４（「◇」）に対しては、閾値Ｃｔｈとして、Ｃｔｈ１よりも大きいＣｔｈ４が規定される。各閾値Ｃｔｈは、マップ化されている。
【０１２０】
図７に戻り、含水量推定処理（ステップＳ２００）の後、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の運転条件に対応する閾値ＣｔｈをＲＯＭから読み込み（ステップＳ２１０）、含水量Ｃが閾値Ｃｔｈよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ２２０）。そして、含水量Ｃが閾値Ｃｔｈ以上である場合には（ステップＳ２２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、処理をステップＳ２００に戻す。一方、含水量Ｃが閾値Ｃｔｈよりも小さい場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じているものとして、乾燥抑制制御を実行する（ステップＳ２３０）。本実施例では、乾燥抑制制御として、所定期間、圧力調節弁３６の開度を小さくして、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、膜電極接合体１２が備える電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。また、乾燥抑制制御として、エアコンプレッサ３１の回転数を低下させて、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を減少させたり、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて、燃料電池スタック１０への水素の供給流量を増加させたりするようにしてもよい。なお、ステップＳ２３０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ２００に戻す。
【０１２１】
図９は、乾燥抑制制御におけるカソードオフガスの背圧の決定方法を示す説明図である。先に図８を用いて説明したように、電解質膜の含水量の増加とともに発電量が減少する含水量の範囲において、電解質膜の含水量が少ないほど、上記発電集中の程度が大きいと判断することができる。そこで、本実施例では、燃料電池スタック１０の各運転条件において、電解質膜の含水量Ｃが閾値Ｃｔｈよりも少ないほど、圧力調節弁３６の開度を小さくし、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。例えば、図９に示したように、運転条件１の場合には、電解質膜の含水量Ｃが閾値Ｃｔｈ１よりも少ないほど、圧力調節弁３６の開度を小さくし、運転条件４の場合には、電解質膜の含水量Ｃが閾値Ｃｔｈ４よりも少ないほど、圧力調節弁３６の開度を小さくし、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。この結果、上記制御に要するエネルギを抑制し、燃料電池システムにおけるエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【０１２２】
以上説明した第２実施例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１０（固体高分子型燃料電池）において、水分布に起因する膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体１２の局所的な劣化を抑制することができる。
【０１２３】
また、本実施例では、含水量推定処理（図７、ステップＳ２００）において、電解質膜の面内において含水量が少なくなりやすい部位における含水量を推定するので、上記発電集中の判定を高感度で行うことができる。電解質膜の面内において含水量が少なくなりやすい部位では、燃料電池スタック１０の運転条件に応じて、電解質膜の含水量が変化しやすいからである。
【０１２４】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池システムの構成は、第２実施例の燃料電池システムの構成と同じである。ただし、第３実施例の燃料電池システムでは、発電集中抑制制御処理が第２実施例における発電集中抑制制御処理と異なる。以下、第３実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理について説明する。
【０１２５】
図１０は、第３実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット７０が備えるＣＰＵが、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じた通常運転制御と並行して実行する処理である。
【０１２６】
発電集中抑制制御処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０の運転条件を読み込み、極間水移動量分布推定処理を実行する（ステップＳ３００）。極間水移動量分布推定処理とは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜を介して、カソードとアノードとの間で移動する水分量（極間水移動量）の分布を推定する処理である。本実施例では、水素、および、空気の流れ方向（図３参照）について、二次元的な極間水移動量の分布を推定するものとした。なお、極間水移動量分布推定処理は、先に説明した第１実施例の発電集中抑制制御処理における水分布推定処理と同様にして行うことが可能であり、ここでは、極間水移動量分布推定処理についての詳細な説明は省略する。
【０１２７】
ここで、膜電極接合体１２の面内における極間水移動量の分布と局所的な発電集中との関係について説明する。
【０１２８】
図１１は、膜電極接合体１２の面内における極間水移動量分布と局所的な発電集中との関係を示す説明図である。図１１（ａ）に、カソードオフガスの背圧を変化させたときの膜電極接合体１２の面内においてアノードからカソードに移動する水分量の分布（極間水移動量分布）を示した。また、図１１（ｂ）に、カソードオフガスの背圧を変化させたときの電流密度の分布を示した。なお、図１１において、「○」→「□」→「△」→「◇」→「＊」の順に、カソードオフガスの背圧が高くなっている（カソードオフガスの背圧：「○」＜「□」＜「△」＜「◇」＜「＊」）。
【０１２９】
図１１（ａ）から、カソードオフガスの背圧が高くなるほど、極間水移動量が０になる位置がカソードオフガスの出口側（水素ｉｎ，空気ｏｕｔ）から空気の入口側（空気ｉｎ，水素ｏｕｔ）に近づく、すなわち、カソードオフガスが排出される部位と極間水移動量が０になる部位との距離を示す座標値Ｐｏｓが大きくなることが分かった。また、図１１（ｂ）から、カソードオフガスの背圧が高くなるほど、カソードオフガスの出口側における電流密度が減少し、空気の入口側における電流密度が高くなり、電流密度分布が均一化されることが分かった。そして、本願発明者は、図１１（ａ），（ｂ）から、カソードオフガスが排出される部位と極間水移動量が０になる部位との距離を示す座標値Ｐｏｓが小さいほど、膜電極接合体１２の面内において発電集中が生じ、座標値Ｐｏｓが大きいほど、膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中が生じないことを見出した。そこで、本実施例では、上述した知見に基づいて、座標値Ｐｏｓについての閾値Ｐｏｓｔｈを規定し、座標値Ｐｏｓが、閾値Ｐｏｓｔｈよりも小さい場合に、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中が生じていると判定するものとした。また、座標値Ｐｏｓが閾値Ｐｏｓｔｈよりも小さいほど、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中の程度が大きいと判断するものとした。
【０１３０】
図１０に戻り、極間水移動量分布推定処理（ステップＳ３００）の後、ＣＰＵは、ＲＯＭから閾値Ｐｏｓｔｈを読み込み（ステップＳ３１０）、座標値Ｐｏｓが閾値Ｐｏｓｔｈよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ３２０）。そして、座標値Ｐｏｓが閾値Ｐｏｓｔｈ以上である場合には（ステップＳ３２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、処理をステップＳ３００に戻す。一方、座標値Ｐｏｓが閾値Ｐｏｓｔｈよりも小さい場合には（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じているものとして、乾燥抑制制御を実行する（ステップＳ３３０）。本実施例では、乾燥抑制制御として、所定期間、圧力調節弁３６の開度を小さくして、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、膜電極接合体１２が備える電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。また、乾燥抑制制御として、エアコンプレッサ３１の回転数を低下させて、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を減少させたり、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて、燃料電池スタック１０への水素の供給流量を増加させたりするようにしてもよい。なお、ステップＳ３３０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ３００に戻す。
【０１３１】
図１２は、乾燥抑制制御におけるカソードオフガスの背圧の決定方法を示す説明図である。先に図１１を用いて説明したように、カソードオフガスが排出される部位と極間水移動量が０になる部位との距離を示す座標値Ｐｏｓが閾値Ｐｏｓｔｈよりも小さいほど、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中の程度が大きいと判断することができる。そこで、本実施例では、図１２に示したように、座標値Ｐｏｓが閾値Ｐｏｓｔｈよりも少ないほど、圧力調節弁３６の開度を小さくし、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。この結果、上記制御に要するエネルギを抑制し、燃料電池システムにおけるエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【０１３２】
以上説明した第３実施例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１０（固体高分子型燃料電池）において、水分布に起因する膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体１２の局所的な劣化を抑制することができる。
【０１３３】
Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池システムの構成は、第２実施例の燃料電池システムの構成と同じである。ただし、第４実施例の燃料電池システムでは、発電集中抑制制御処理が第２実施例における発電集中抑制制御処理と異なる。以下、第４実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理について説明する。
【０１３４】
図１３は、第４実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット７０が備えるＣＰＵが、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じた通常運転制御と並行して実行する処理である。
【０１３５】
発電集中抑制制御処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０の運転条件を読み込み、極間水移動量分布推定処理を実行する（ステップＳ４００）。この極間水移動量分布推定処理は、第３実施例の発電集中抑制制御処理における極間水移動量分布推定処理と同じである。
【０１３６】
ここで、膜電極接合体１２の面内における極間水移動量の分布と局所的な発電集中との関係について説明する。
【０１３７】
図１４は、膜電極接合体１２の面内における極間水移動量分布と局所的な発電集中との関係を示す説明図である。図１４（ａ）に、カソードオフガスの背圧を変化させたときの膜電極接合体１２の面内においてアノードからカソードに移動する水分量の分布（極間水移動量分布）を示した。また、図１４（ｂ）に、カソードオフガスの背圧を変化させたときの電流密度の分布を示した。なお、図１４において、「○」で示した分布よりも、「＊」で示した分布の方が、カソードオフガスの背圧が高くなっている。
【０１３８】
図１４（ａ）から、カソードオフガスの背圧が比較的低い場合には、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在し、カソードオフガスの背圧が比較的高い場合には、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在しないことが分かった。また、図１４（ｂ）（図１１（ｂ））から、カソードオフガスの背圧が高くなるほど、カソードオフガスの出口側における電流密度が減少し、空気の入口側における電流密度が高くなり、電流密度分布が均一化されることが分かった。そして、本願発明者は、図１４（ａ），（ｂ）から、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在する場合に、膜電極接合体１２の面内において発電集中が生じ、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在しない場合には、膜電極接合体１２の面内において発電集中が生じないことを見出した。そこで、本実施例では、上述した知見に基づいて、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在する場合に、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中が生じていると判定するものとした。
【０１３９】
図１３に戻り、極間水移動量分布推定処理（ステップＳ４００）の後、ＣＰＵは、極間水移動量分布を表す関数を求め、その関数について、２階微分を行い（ステップＳ４１０）、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在するか否かを判断する（ステップＳ４２０）。極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在しない場合には（ステップＳ４２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、処理をステップＳ４００に戻す。一方、極間水移動量分布を表す関数に変曲点が存在する場合には（ステップＳ４２０：ＹＥＳ）、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じているものとして、乾燥抑制制御を実行する（ステップＳ４３０）。本実施例では、乾燥抑制制御として、所定期間、圧力調節弁３６の開度を小さくして、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、膜電極接合体１２が備える電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。また、乾燥抑制制御として、エアコンプレッサ３１の回転数を低下させて、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を減少させたり、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて、燃料電池スタック１０への水素の供給流量を増加させたりするようにしてもよい。なお、ステップＳ４３０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ４００に戻す。
【０１４０】
以上説明した第４実施例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１０（固体高分子型燃料電池）において、水分布に起因する膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体１２の局所的な劣化を抑制することができる。
【０１４１】
Ｅ．第５実施例：
第５実施例の燃料電池システムの構成は、第２実施例の燃料電池システムの構成と同じである。ただし、第５実施例の燃料電池システムでは、発電集中抑制制御処理が第２実施例における発電集中抑制制御処理と異なる。以下、第５実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理について説明する。
【０１４２】
図１５は、第５実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット７０が備えるＣＰＵが、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じた通常運転制御と並行して実行する処理である。
【０１４３】
発電集中抑制制御処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０の運転条件を読み込み、膜電極接合体１２の面内におけるピーク電流Ｉｐを求める（ステップＳ５００）。膜電極接合体１２の面内におけるピーク電流Ｉｐは、例えば、燃料電池スタック１０の運転条件における各種パラメータを変数とする関数やマップを用いて推定することができる。
【０１４４】
次に、ＣＰＵは、ＲＯＭからピーク電流Ｉｐについての閾値Ｉｐｔｈを読み込み（ステップＳ５１０）、ステップＳ５００で求めたピーク電流Ｉｐが閾値Ｉｐｔｈよりも大きいか否かを判断する（ステップＳ５２０）。ピーク電流Ｉｐが閾値Ｉｐｔｈ以下である場合には（ステップＳ５２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、処理をステップＳ５００に戻す。一方、ピーク電流Ｉｐが閾値Ｉｐｔｈよりも大きい場合には（ステップＳ５２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じているものとして、乾燥抑制制御を実行する（ステップＳ５３０）。本実施例では、乾燥抑制制御として、カソードオフガスの背圧とピーク電流Ｉｐとの関係を考慮して（図１６参照）、ピーク電流Ｉｐが閾値Ｉｐｔｈ以下となるように、所定期間、圧力調節弁３６の開度を小さくして、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、膜電極接合体１２が備える電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。また、乾燥抑制制御として、エアコンプレッサ３１の回転数を低下させて、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を減少させたり、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて、燃料電池スタック１０への水素の供給流量を増加させたりするようにしてもよい。なお、ステップＳ５３０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ５００に戻す。
【０１４５】
図１６は、燃料電池スタック１０の種々の運転条件についてのカソードオフガスの背圧とピーク電流Ｉｐとの関係を示す説明図である。例えば、図中に「□」で示したように、燃料電池スタック１０の運転条件によっては、カソードオフガスの背圧の制御値が制御値ａであって、ピーク電流Ｉｐが閾値Ｉｐｔｈよりも大きい場合に、制御値ａよりも大きい制御値ｂとしても、かえってピーク電流Ｉｐが増大し、上記発電集中を増長させてしまう場合がある。そこで、このような場合には、図示したプロファイル（マップ）を参照して、カソードオフガスの背圧を、ピーク電流Ｉｐが閾値Ｉｐｔｈよりも小さくなる制御値ｃまで、瞬時に変化させることとしている。こうすることによって、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。
【０１４６】
以上説明した第５実施例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１０（固体高分子型燃料電池）において、水分布に起因する膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体１２の局所的な劣化を抑制することができる。
【０１４７】
Ｆ．第６実施例：
第６実施例の燃料電池システムの構成は、第２実施例の燃料電池システムの構成と同じである。ただし、第６実施例の燃料電池システムでは、発電集中抑制制御処理が第２実施例における発電集中抑制制御処理と異なる。以下、第６実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理について説明する。
【０１４８】
図１７は、第６実施例の燃料電池システムにおける発電集中抑制制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット７０が備えるＣＰＵが、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じた通常運転制御と並行して実行する処理である。
【０１４９】
発電集中抑制制御処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０の運転条件を読み込み、膜電極接合体１２の面内における電流密度分布を求める（ステップＳ６００）。膜電極接合体１２の面内における電流密度分布は、例えば、燃料電池スタック１０の運転条件における各種パラメータを変数とする関数やマップを用いて推定することができる。
【０１５０】
次に、ＣＰＵは、ステップＳ６００で求めた電流密度分布の標準偏差Ｖｉを求める（ステップＳ６１０）。そして、ＣＰＵは、ＲＯＭから標準偏差Ｖｉについての閾値Ｖｉｔｈを読み込み（ステップＳ６２０）、標準偏差Ｖｉが閾値Ｖｉｔｈよりも大きいか否かを判断する（ステップＳ６３０）。標準偏差Ｖｉが閾値Ｖｉｔｈ以下である場合には（ステップＳ６３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、電解質膜の面内における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中は生じていないものとして、処理をステップＳ６００に戻す。一方、標準偏差Ｖｉが閾値Ｖｉｔｈよりも大きい場合には（ステップＳ６３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じているものとして、乾燥抑制制御を実行する（ステップＳ６４０）。本実施例では、乾燥抑制制御として、カソードオフガスの背圧と標準偏差Ｖｉとの関係を考慮して（図１８参照）、所定期間、圧力調節弁３６の開度を小さくして、カソードオフガスの背圧を増大させるものとした。こうすることによって、膜電極接合体１２が備える電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜における局所的な含水量不足に起因する局所的な発電集中を解消することができる。また、乾燥抑制制御として、エアコンプレッサ３１の回転数を低下させて、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を減少させたり、水素循環ポンプ２７の回転数を増大させて、燃料電池スタック１０への水素の供給流量を増加させたりするようにしてもよい。なお、ステップＳ６３０の後、ＣＰＵは、処理をステップＳ６００に戻す。
【０１５１】
図１８は、燃料電池スタック１０の種々の運転条件についてのアノードオフガスの背圧と電流密度分布の標準偏差Ｖｉとの関係を示す説明図である。例えば、図中に「△」で示した燃料電池スタック１０の運転条件において、カソードオフガスの背圧の制御値が制御値ｄであって、電流密度分布の標準偏差Ｖｉが閾値Ｖｉｔｈよりも大きい場合には、図示したプロファイル（マップ）を参照して、カソードオフガスの背圧を、電流密度分布の標準偏差Ｖｉが閾値Ｖｉｔｈよりも小さくなる制御値ｅまで、瞬時に変化させることとしている。こうすることによって、効率よく速やかに上記発電集中を解消することができる。
【０１５２】
以上説明した第６実施例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１０（固体高分子型燃料電池）において、水分布に起因する膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中による膜電極接合体１２の局所的な劣化を抑制することができる。
【０１５３】
Ｇ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【０１５４】
Ｇ１．変形例１：
上記第１実施例では、温度センサ１４ａ，１４ｂは、それぞれ、フレーム部材１４において、冷却水の出口側であって、膜電極接合体１２のカソードに空気が導入される部位の近傍の部位、および、冷却水の出口側であって、膜電極接合体１２のカソードからカソードオフガスが排出される部位の近傍の部位に設けられるものとしたが、本発明は、これに限られない。温度センサ１４ａ，１４ｂは、温度Ｔ１，Ｔ２と膜電極接合体１２における局所的な発電集中との関係が予め既知となる部位に設けるようにすればよい。
【０１５５】
Ｇ２．変形例２：
上記第１実施例では、温度Ｔ２と温度Ｔ１との差に基づいて、上記発電集中の判定を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、温度Ｔ２と温度Ｔ１との比に基づいて、上記発電集中の判定を行うものとしてもよい。
【０１５６】
Ｇ３．変形例３：
上記第１実施例の発電集中抑制制御処理では、燃料ガス流路水排出制御と、酸化剤ガス流路水排出制御と、乾燥抑制制御とを別々に実行するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、図５のステップＳ１１０における判断結果において、燃料ガス流路内の残水量過多と酸化剤ガス流内の残水量過多とが検出された場合には、燃料ガス流路水排出制御と、酸化剤ガス流路水排出制御とを並行して実行するものとしてもよい。
【０１５７】
Ｇ４．変形例４：
上記第１実施例の発電集中抑制制御処理におけるステップＳ１００〜Ｓ１３０の処理を、第２ないし第６実施例の発電集中抑制制御処理にも適用するようにしてもよい。
【０１５８】
Ｇ５．変形例５：
上記第１実施例の発電集中抑制制御処理において、ステップＳ１００〜Ｓ１３０の処理を省略してもよい。
【０１５９】
Ｇ６．変形例６：
上記第１ないし第３実施例では、発電集中抑制制御処理における乾燥抑制制御において、膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中の程度に応じて、カソードオフガスの背圧を線形に変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、上記発電集中の程度に応じて、カソードオフガスの背圧を段階的に変化させるものとしてもよい。
【０１６０】
Ｇ７．変形例７：
上記第１ないし第３実施例では、発電集中抑制制御処理において、乾燥抑制制御を所定期間実行するものとしたが、本発明は、これに限られない。膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中の程度に応じて、カソードオフガスの背圧の増大量は固定して、乾燥抑制制御を実行する期間（継続時間）を変化させるようにしてもよい。例えば、膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中の程度が大きいほど、乾燥抑制制御の継続時間を長くするようにしてもよい。
【０１６１】
Ｇ８．変形例８：
上記第５実施例、および、第６実施例の発電集中抑制制御処理において、乾燥抑制制御の後、上記発電集中が解消されない場合に、さらに、第１実施例で説明した燃料ガス流路水排出制御や、酸化剤ガス流路水排出制御を行うようにしてもよい。
【０１６２】
Ｇ９．変形例９：
上記第１ないし第６実施例の発電集中抑制制御処理において、膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中の判定に、燃料電池スタック１０の出力を考慮するようにしてもよい。膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じた場合には、実効的な発電面積が減少するため、燃料電池スタック１０の出力が所望の出力よりも低下することが多いからである。
【０１６３】
また、上記第１ないし第６実施例の発電集中抑制制御処理において、膜電極接合体１２の面内における局所的な発電集中の判定に、燃料電池スタック１０のインピーダンスを考慮するようにしてもよい。膜電極接合体１２の面内において、上記発電集中が生じた場合には、燃料電池スタック１０のインピーダンスが所望の値よりも増大したり、短期間に激しく変化したりするからである。
【符号の説明】
【０１６４】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１２…膜電極接合体
１４…フレーム部材
１４ａ，１４ｂ…温度センサ
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…インジェクタ
２４…水素供給配管
２４Ｐ…圧力センサ
２５…アノードオフガス排出配管
２６…循環配管
２７…水素循環ポンプ
２７Ｆ…流量センサ
２８…配管
２９…パージ弁
３０…エアクリーナ
３１…エアコンプレッサ
３１Ｆ…流量センサ
３２…配管
３３…加湿装置
３４…空気供給配管
３５…配管
３５Ｐ…圧力センサ
３６…圧力調節弁
３７…配管
４０…配管
５０…ラジエータ
５１…ウォータポンプ
５２…配管
５３…バイパス配管
５４…ロータリ弁
５５，５６…温度センサ
６０…セルモニタ
７０…制御ユニット
【図１】
0005581890.tif 000002
【図２】
0005581890.tif 000003
【図３】
0005581890.tif 000004
【図４】
0005581890.tif 000005
【図５】
0005581890.tif 000006
【図６】
0005581890.tif 000007
【図７】
0005581890.tif 000008
【図８】
0005581890.tif 000009
【図９】
0005581890.tif 000010
【図１０】
0005581890.tif 000011
【図１１】
0005581890.tif 000012
【図１２】
0005581890.tif 000013
【図１３】
0005581890.tif 000014
【図１４】
0005581890.tif 000015
【図１５】
0005581890.tif 000016
【図１６】
0005581890.tif 000017
【図１７】
0005581890.tif 000018
【図１８】
0005581890.tif 000019