(57)【要約】      （修正有）【課題】膜電極接合体の乾燥を抑制しつつセパレータの流路からの排水性の低下が抑制された燃料電池システムを提供する。【解決手段】第１反応ガスを案内する第１流路１９ａを有した第１セパレータ１８ａと、第２反応ガスを案内し膜電極接合体を介して第１流路１９ａの上流側に対向した第２流路及び第２反応ガスを案内し膜電極接合体を介して第１流路１９ａの下流側に対向し第２流路とは隔てられた第３流路を有した第２セパレータ１８ｃと、第２流路を流通する第２反応ガスの湿度及び圧力の少なくとも一方が第３流路を流通する第２反応ガスよりも高くなるように制御する第１制御機構と、第３流路１９ｃ２を流通する第２反応ガスのストイキ比が第２流路１９ｃ１を流通する第２反応ガスよりも大きくなるように制御する第２制御機構と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、
第１入口マニホールド、第１出口マニホールド、及び前記膜電極接合体との間で前記第１入口マニホールドから前記第１出口マニホールドへ第１反応ガスを案内する第１流路、を有した第１セパレータと、
互いに隔てられた第２及び第３入口マニホールド、互いに隔てられた第２及び第３出口マニホールド、前記膜電極接合体との間で前記第２入口マニホールドから前記第２出口マニホールドへ第２反応ガスを案内し前記膜電極接合体を介して前記第１流路の上流側に対向した第２流路、及び前記膜電極接合体との間で前記第３入口マニホールドから前記第３出口マニホールドへ前記第２反応ガスを案内し前記膜電極接合体を介して前記第１流路の下流側に対向し前記第２流路とは隔てられた第３流路、を有した第２セパレータと、
前記第２流路を流通する前記第２反応ガスの湿度及び圧力の少なくとも一方が前記第３流路を流通する前記第２反応ガスよりも高くなるように制御する第１制御機構と、
前記第３流路を流通する前記第２反応ガスのストイキ比が前記第２流路を流通する前記第２反応ガスよりも大きくなるように制御する第２制御機構と、を備えた燃料電池システム。
【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】
燃料電池は、一対のセパレータにより膜電極接合体が挟持されている。各セパレータの膜電極接合体側の面には、反応ガスが流通する流路が形成されている。特許文献１では、反応ガスの流路を画定する複数の溝の本数が下流側に行くに従い少なくなることにより、流路での反応ガスの流速の低下が抑制されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−５２７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような構成において、上流側での膜電極接合体の乾燥を抑制するために加湿した反応ガスを供給すると、流路の溝の本数が少ない下流側で排水性が低下する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、膜電極接合体の乾燥を抑制しつつセパレータの流路からの排水性の低下が抑制された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】
上記目的は、膜電極接合体と、第１入口マニホールド、第１出口マニホールド、及び前記膜電極接合体との間で前記第１入口マニホールドから前記第１出口マニホールドへ第１反応ガスを案内する第１流路、を有した第１セパレータと、互いに隔てられた第２及び第３入口マニホールド、互いに隔てられた第２及び第３出口マニホールド、前記膜電極接合体との間で前記第２入口マニホールドから前記第２出口マニホールドへ第２反応ガスを案内し前記膜電極接合体を介して前記第１流路の上流側に対向した第２流路、及び前記膜電極接合体との間で前記第３入口マニホールドから前記第３出口マニホールドへ前記第２反応ガスを案内し前記膜電極接合体を介して前記第１流路の下流側に対向し前記第２流路とは隔てられた第３流路、を有した第２セパレータと、前記第２流路を流通する前記第２反応ガスの湿度及び圧力の少なくとも一方が前記第３流路を流通する前記第２反応ガスよりも高くなるように制御する第１制御機構と、前記第３流路を流通する前記第２反応ガスのストイキ比が前記第２流路を流通する前記第２反応ガスよりも大きくなるように制御する第２制御機構と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、膜電極接合体の乾燥を抑制しつつセパレータの流路からの排水性の低下が抑制された燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２Ａは、燃料電池のセルの部分断面図であり、図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータの説明図である。
【図３】図３は、第１変形例の燃料電池システムの構成図である。
【図４】図４Ａは、燃料電池の説明図であり、図４Ｂは、分割アノードセパレータの説明図であり、図４Ｃは、分割カソードセパレータの説明図である。
【図５】図５Ａは、カソードストイキ比とカソード背圧に応じた、分割ユニットのそれぞれの発電可能領域と高効率発電領域を示したグラフであり、図５Ｂは、制御ユニットが実行する制御の一例を示したフローチャートである。
【図６】図６Ａは、カソード背圧を補正するためのマップであり、図６Ｂは、カソード背圧を補正するためのマップである。
【図７】図７は、第２変形例の燃料電池システムの構成図である。
【図８】図８は、燃料電池のカソードセパレータの説明図である。
【図９】図９は、第３変形例の燃料電池システムの説明図である。
【図１０】図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、カソードガス系３０、アノードガス系４０、電力系５０、及び制御ユニット６０を含む。燃料電池２０は、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する。カソードガス系３０は、カソードガスとしての、酸素を含む空気を燃料電池２０に供給する。アノードガス系４０は、アノードガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する。電力系５０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット６０は、燃料電池システム１全体を統括制御する。燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、複数のセルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２０には、出力電流及び電圧をそれぞれ検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂ、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃが取り付けられている。
【００１０】
カソードガス系３０は、エアポンプ３１、カソードガス配管３２ａ〜３２ｃ、加湿器３３、カソードオフガス配管３４ａ〜３４ｃ等を有している。エアポンプ３１は、カソードガス配管３２ａを介して外気から取り込んだ酸素を含む空気（カソードガス）を圧縮して、カソードガス配管３２ｂ及び３２ｃから燃料電池２０のカソード極に供給する。燃料電池２０のカソード極からは、カソードオフガスが、カソードオフガス配管３４ｂ及び３４ｃに排出されカソードオフガス配管３４ａを介して外部へ排出される。エアポンプ３１は、カソードガス配管３２ａ上に設けられている。エアポンプ３１よりも上流側のカソードガス配管３２ａに流量センサ３ａが設けられている。カソードガス配管３２ｂ及び３２ｃの各上流端はカソードガス配管３２ａに接続され、カソードガス配管３２ｂ及び３２ｃの各下流端は燃料電池２０に接続されている。カソードガス配管３２ａ〜３２ｃが互いに接続された位置に分流弁３５が設けられている。また、エアポンプ３１と分流弁３５との間のカソードガス配管３２ａ上に圧力センサ３ｂが設けられている。カソードオフガス配管３４ｂ及び３４ｃの各上流端は燃料電池２０に接続され、カソードオフガス配管３４ｂ及び３４ｃの各下流端はカソードオフガス配管３４ａに接続されている。カソードオフガス配管３４ｂ及び３４ｃ上にそれぞれ調圧弁３６ｂ及び３６ｃが設けられている。加湿器３３は、カソードオフガス配管３４ｃを通過する酸化剤オフガス中の水分を利用してカソードガス配管３２ｂを通過するカソードガスを加湿する。
【００１１】
アノードガス系４０は、アノードガス供給排出部４１、アノードガス供給排出部４１からアノードガスを燃料電池２０に供給するアノードガス配管４２ａ、及び燃料電池２０から燃料オフガスをアノードガス供給排出部４１に排出するアノードオフガス配管４４ａを含む。尚、アノードガス供給排出部４１は、例えばアノードガスを貯留した燃料タンクや、アノードガスを噴射するインジェクタ、アノードオフガスを外部に排出する排出通路等を備えるが、図示や詳細な説明は省略する。
【００１２】
電力系５０は、昇圧コンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、及びトラクションモータＭを備えている。昇圧コンバータ５１は、燃料電池２０からの直流電圧を調整してバッテリ５２に出力可能である。昇圧コンバータ５１により、燃料電池２０の出力電圧が制御される。バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能である。燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、昇圧コンバータ５１により昇降圧され、バッテリ５２に充電される。トラクションインバータ５３は、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭへ供給する。トラクションモータＭは、車輪Ｗを駆動する。トラクションモータＭが回生を行う場合には、トラクションモータＭからの出力電力は、トラクションインバータ５３を介して直流電力に変換されてバッテリ５２に充電される。
【００１３】
制御ユニット６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メモリを備えている。また、制御ユニット６０には、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。
【００１４】
次に、燃料電池２０のセル１０について説明する。図２Ａは、燃料電池２０のセル１０の部分断面図である。セル１０は、電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが形成され、他方の面にカソード触媒層１４ｃが形成された膜電極接合体（以下ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１を備える。電解質膜１２は、固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。ＭＥＡ１１の両側には、アノード側撥水層１６ａとカソード側撥水層１６ｃと、一対の拡散層であるアノードガス拡散層１７ａとカソードガス拡散層１７ｃとが配置されている。ＭＥＡ１１、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）１５と称す。ＭＥＧＡ１５の両側には、ＭＥＧＡ１５を挟持するアノードセパレータ１８ａとカソードセパレータ１８ｃが配置されている。アノードセパレータ１８ａは、アノードガス拡散層１７ａとの間にアノード流路１９ａを形成する。カソードセパレータ１８ｃは、カソードガス拡散層１７ｃとの間にカソード流路１９ｃを形成する。尚、アノードセパレータ１８ａのアノード流路１９ａが形成された面とは反対側の面、及び、カソードセパレータ１８ｃのカソード流路１９ｃが形成された面とは反対側の面には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。燃料電池２０では、このようなセルが複数積層されている。
【００１５】
図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれアノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃの説明図である。アノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃのそれぞれには、アノード入口マニホールドａ１、アノード出口マニホールドａ２、カソード入口マニホールドｃ１及びｃ３、カソード出口マニホールドｃ２及びｃ４、冷媒入口マニホールドｗ１、冷媒出口マニホールドｗ２が設けられている。アノード入口マニホールドａ１、カソード出口マニホールドｃ２、冷媒入口マニホールドｗ１、カソード入口マニホールドｃ３と、カソード入口マニホールドｃ１、冷媒出口マニホールドｗ２、カソード出口マニホールドｃ４、アノード出口マニホールドａ２とは、矩形状のアノードセパレータ１８ａ及びカソードセパレータ１８ｃでの、互いに対向する２つの短辺側にそれぞれ設けられている。
【００１６】
図１及び図２Ｂに示すように、アノードガスは、アノードガス配管４２ａ、アノード入口マニホールドａ１、アノード流路１９ａ、アノード出口マニホールドａ２、及びアノードオフガス配管４４ａの順に流通する。アノード流路１９ａは、アノード入口マニホールドａ１からアノード出口マニホールドａ２まで蛇行した、いわゆるサーペンタイン流路である。
【００１７】
図２Ｃに示すように、カソードセパレータ１８ｃは、互いに隔てられたカソード流路１９ｃ１及び１９ｃ２を含む。また、カソード入口マニホールドｃ１及びカソード出口マニホールドｃ２と、カソード入口マニホールドｃ３及びカソード出口マニホールドｃ４とも互いに隔てられている。カソードガスの一部は、カソードガス配管３２ａ及び３２ｂ、カソード入口マニホールドｃ１、カソード流路１９ｃ１、カソード出口マニホールドｃ２、カソードオフガス配管３４ｂ及び３４ａの順に流通する。また、残りのカソードガスは、カソードガス配管３２ａ及び３２ｃ、カソード入口マニホールドｃ３、カソード流路１９ｃ２、カソード出口マニホールドｃ４、カソードオフガス配管３４ｃ及び３４ａの順に流れる。即ち、カソード流路１９ｃ１及１９ｃ２をそれぞれ流通するカソードガスは、燃料電池２０内では合流しないように構成されている。カソード流路１９ｃ１及び１９ｃ２をそれぞれ流れるカソードガスは、互いに逆向きである。カソード流路１９ｃ１は、ＭＥＧＡ１５を介してアノード流路１９ａの上流側に対向する。カソード流路１９ｃ２は、ＭＥＧＡ１５を介してアノード流路１９ａの下流側に対向する。
【００１８】
アノードセパレータ１８ａは、第１セパレータの一例である。アノード入口マニホールドａ１は、第１入口マニホールドの一例である。アノード出口マニホールドａ２は、第１出口マニホールドの一例である。アノード流路１９ａは、第１流路の一例である。アノードガスは、第１反応ガスの一例である。カソードセパレータ１８ｃは、第２セパレータの一例である。カソード入口マニホールドｃ１及びｃ３は、第２及び第３入口マニホールドの一例である。カソード出口マニホールドｃ２及びｃ４は、第２及び第３出口マニホールドの一例である。カソード流路１９ｃ１は、第２流路の一例である。カソード流路１９ｃ２は、第３流路の一例である。カソードガスは、第２反応ガスの一例である。
【００１９】
尚、図示はしないが、冷媒は、冷媒入口マニホールドｗ１、アノード流路１９ａの背面側に形成された流路、冷媒出口マニホールドｗ２の順に流通する。同様に、冷媒は、冷媒入口マニホールドｗ１からカソード流路１９ｃ１及び１９ｃ２の背面側に形成された流路、冷媒出口マニホールドｗ２の順に流通する。
【００２０】
加湿器３３により、カソードガス配管３２ｂからカソード流路１９ｃ１に流れるカソードガスの湿度は、カソードガス配管３２ｃからカソード流路１９ｃ２に流れるカソードガスよりも高くなるように制御されている。ここで、上述したように、カソード流路１９ｃ１は、ＭＥＧＡ１５を介してアノード流路１９ａの上流側に対向する。アノード流路１９ａの上流側は、アノード流路１９ａの下流側よりも乾燥しやすい状態にある。このため、カソード流路１９ｃ１を流れるカソードガスの湿度を高くなるように制御することにより、アノード流路１９ａの上流側に対応するＭＥＡ１１の部分の乾燥を抑制できる。
【００２１】
また、調圧弁３６ｂ及び３６ｃの開度により、カソード流路１９ｃ１でのカソードガスの圧力は、カソード流路１９ｃ２でのカソードガスの圧力よりも高く制御されている。即ち、カソード流路１９ｃ１でのカソード背圧は、カソード流路１９ｃ２でのカソード背圧よりも高くなるように制御されている。これにより、カソード流路１９ｃ１からの排水性が抑制され、アノード流路１９ａの上流側に対応するＭＥＡ１１の部分の乾燥を抑制できる。
【００２２】
また、分流弁３５により、カソードガス配管３２ｃからカソード流路１９ｃ２に流れるカソードガスのストイキ比は、カソード流路１９ｃ１を流れるカソードガスよりも大きくなるように制御されている。ここで上述したようにカソード流路１９ｃ２は、ＭＥＧＡ１５を介してアノード流路１９ａの下流側に対向する。アノード流路１９ａの下流側は、アノード流路１９ａの上流側よりも液水が残留しやすい。このため、アノード流路１９ａの下流側に滞留した液水がＭＥＧＡ１５等を介してカソード流路１９ｃ２にまで侵入して、排水性が低下する可能性がある。このため、カソード流路１９ｃ２でのカソードストイキ比が大きくなるように制御されることにより、カソード流路１９ｃ２からの排水性が向上する。また、ストイキ比の高いカソードガスが供給されることにより発電性能の低下も抑制される。
【００２３】
以上のように、加湿器３３、調圧弁３６ｂ及び３６ｃ、分流弁３５は、制御機構の一例である。詳細には、加湿器３３と調圧弁３６ｂ及び３６ｃは、第１制御機構の一例である。分流弁３５は、第２制御機構の一例である。
【００２４】
次に、複数の変形例について説明する。尚、変形例について、同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明は省略する。図３は、第１変形例の燃料電池システム１ａの構成図である。カソードガス系３０ａは、エアポンプ３１とは別にカソードガス配管３２ｃ上にエアポンプ３１ｃを備えているが、カソードガス配管３２ｂ上にはエアポンプは設けられていない。カソードオフガス配管３４ｂ及び３４ｃ上にそれぞれ調圧弁３６ｂ及び３６ｃが設けられている。カソードガス配管３２ｂ及び３２ｃ上にそれぞれ圧力センサ３ｂ及び３ｃが設けられている。また、第１変形例では、上述した実施例と異なり加湿器３３は設けられておらず、電力系５０ａは２つの電流センサ２ａ１及び２ａ２を備えている。
【００２５】
図４Ａは、燃料電池２０ａの説明図である。燃料電池２０ａは、２つに分割された分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２を有している。分割ユニット２０ａ１は複数の分割セル１０ａ１を有し、分割ユニット２０ａ２は複数の分割セル１０ａ２を有している。分割セル１０ａ１及び１０ａ２は、分割された分割アノードセパレータ１８ａ１及び１８ａ２をそれぞれ有している。図４Ｂは、分割アノードセパレータ１８ａ１及び１８ａ２の説明図である。分割アノードセパレータ１８ａ１には、カソード入口マニホールドｃ１、アノード流路１９ａの上流部分、カソード出口マニホールドｃ２、アノード入口マニホールドａ１、及び冷媒出口マニホールドｗ２が形成されている。分割アノードセパレータ１８ａ２には、カソード入口マニホールドｃ３、アノード流路１９ａの下流部分、カソード出口マニホールドｃ４、アノード出口マニホールドａ２、及び冷媒入口マニホールドｗ１が形成されている。同様に、分割セル１０ａ１及び１０ａ２は、分割された分割カソードセパレータ１８ｃ１及び１８ｃ２をそれぞれ有している。図４Ｃは、分割カソードセパレータ１８ｃ１及び１８ｃ２の説明図である。分割カソードセパレータ１８ｃ１には、カソード入口マニホールドｃ１、カソード流路１９ｃ１、カソード出口マニホールドｃ２、アノード入口マニホールドａ１、及び冷媒出口マニホールドｗ２が形成されている。分割カソードセパレータ１８ｃ２には、カソード入口マニホールドｃ３、カソード流路１９ｃ２、カソード出口マニホールドｃ４、アノード出口マニホールドａ２、及び冷媒入口マニホールドｗ１が形成されている。尚、図示はしないが、これらの分割されたセパレータと同様に、ＭＥＧＡも分割されており、その他集電板も分割されている。これら分割された同種類の部材同士は、絶縁部材を介して一体化されており両者間で絶縁性が保たれている。このため、電流センサ２ａ１及び２ａ２は、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の電流値をそれぞれ検出できる。制御ユニット６０ａは、電流センサ２ａ１及び２ａ２により分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の各交流インピーダンスを測定し、測定結果に基づいて、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２のそれぞれでのカソード背圧やカソードストイキ比を制御する。
【００２６】
図５Ａは、カソードストイキ比とカソード背圧に応じた、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２のそれぞれの発電可能領域Ｅ１及びＥ２と高効率発電領域Ｅ１ａ及びＥ２ａを示したグラフである。図５Ａに示すように、分割ユニット２０ａ１の高効率発電領域Ｅ１ａは、分割ユニット２０ａ２の発電可能領域Ｅ２よりもカソード背圧が高く、分割ユニット２０ａ２の高効率発電領域Ｅ２ａは、分割ユニット２０ａ１の発電可能領域Ｅ１よりもカソードストイキ比が大きい。このため、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２間で、カソード背圧及びカソードストイキ比を異なるように制御することにより、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の双方を高効率で発電させることができる。
【００２７】
図５Ｂは、制御ユニット６０ａが実行する制御の一例を示したフローチャートである。この制御は、所定の時間毎に繰り返し実行される。最初に、アクセル開度センサ８１の検出値に基づいて、燃料電池２０ａの負荷率が取得される（ステップＳ１）。尚、燃料電池２０ａの負荷率は、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の負荷率と同じである。
【００２８】
次に電流センサ２ａ１及び２ａ２と電圧センサ２ｂとから、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の各交流インピーダンスが測定される（ステップＳ３）。詳細には、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２のそれぞれに高周波の電流を印加した場合での交流インピーダンスと、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２のそれぞれに低周波の電流を印加した場合での交流インピーダンスとが測定される。これらの高周波及び低周波での交流インピーダンスをそれぞれ、高周波インピーダンス及び低周波インピーダンスと称する。
【００２９】
ここで、高周波インピーダンスの実部は、ＭＥＡの湿潤状態に応じて変化する値であり、高周波インピーダンスの実部の値が増大するほど、ＭＥＡは乾燥状態にあることを示す。また、低周波インピーダンスの虚部は、セル内の残留水の量に応じて変化する値であり、低周波インピーダンスの虚部の値が増大するほど、残留水の量が多いことを示す。高周波とは例えば３００Ｈｚ前後の周波数であり、低周波とは例えば１０Ｈｚ以下の周波数である。
【００３０】
次に、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の各高周波インピーダンスの実部と、燃料電池２０ａの負荷率に応じたカソード背圧を規定した所定のマップとから、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の各カソード背圧が補正される（ステップＳ５）。図６Ａは、カソード背圧を補正するためのマップである。横軸は負荷率を示し、縦軸はカソード背圧を示す。このマップは、予め制御ユニット６０ａのメモリに記憶されている。
【００３１】
分割ユニット２０ａ１の高周波インピーダンスの実部が負荷率に応じた所定の範囲内にある場合には、分割ユニット２０ａ１でのカソード背圧、即ちカソード流路１９ｃ１での圧力が図６Ａに示した曲線Ｐ１となるように、調圧弁３６ｂの開度が制御される。同様に、分割ユニット２０ａ２の高周波インピーダンスの実部が負荷率に応じた所定の範囲内にある場合には、分割ユニット２０ａ２でのカソード背圧、即ちカソード流路１９ｃ２での圧力が図６Ａに示した曲線Ｐ２となるように調圧弁３６ｃの開度が制御される。尚、図６Ａに示すように、曲線Ｐ１の方が曲線Ｐ２よりもカソード背圧が高くなるように予め規定され、曲線Ｐ１及びＰ２の何れも燃料電池２０ａの負荷率が増大するほどカソード背圧が増大するように規定されている。
【００３２】
分割ユニット２０ａ１の高周波インピーダンスの実部が負荷率に応じた所定の範囲内から逸脱して増大した場合には、分割ユニット２０ａ１でのカソード背圧が曲線Ｐ１よりも高い曲線Ｐ１ａとなるように、調圧弁３６ｂの開度が制御される。同様に、分割ユニット２０ａ２の高周波インピーダンスの実部が負荷率に応じた所定の範囲内から逸脱して増大した場合には、分割ユニット２０ａ２でのカソード背圧が曲線Ｐ２よりも高い曲線Ｐ２ａとなるように、調圧弁３６ｃの開度が制御される。このように、ＭＥＡの湿潤状態に応じて分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２のそれぞれのカソード背圧が制御され、ＭＥＡが乾燥状態を示す場合には、そのカソード背圧が増大補正されて排水性が抑制される。これによりＭＥＡの乾燥が抑制される。尚、曲線Ｐ２ａは、曲線Ｐ１よりも低くなるように規定されている。
【００３３】
次に、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の各低周波インピーダンスの虚部と、燃料電池２０ａの負荷率に応じたカソードストイキ比を規定した所定のマップとから、分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２の各カソードストイキ比が補正される（ステップＳ７）。図６Ｂは、カソード背圧を補正するためのマップである。横軸は負荷率を示し、縦軸はカソードストイキ比を示す。このマップは、予め制御ユニット６０ａのメモリに記憶されている。
【００３４】
分割ユニット２０ａ１の低周波インピーダンスの虚部が負荷率に応じた所定の範囲内にある場合には、分割ユニット２０ａ１に供給されるカソードガスのストイキ比であるカソードストイキ比は、図６Ｂに示した曲線Ｓ１となるように、エアポンプ３１の回転速度が制御される。同様に、分割ユニット２０ａ２の低周波インピーダンスの虚部が負荷率に応じた所定の範囲内にある場合には、分割ユニット２０ａ２でのカソードストイキ比が図６Ｂに示した曲線Ｓ２となるようにエアポンプ３１ｃの回転速度が制御される。尚、図６Ｂに示すように、曲線Ｓ２の方が曲線Ｓ１よりもカソードストイキ比が大きくなるように予め規定され、曲線Ｓ１及びＳ２の何れも燃料電池２０ａの負荷率が増大するほどカソードストイキ比が低下するように規定されている。
【００３５】
分割ユニット２０ａ１の低周波インピーダンスの虚部が負荷率に応じた所定の範囲内から逸脱して増大した場合には、分割ユニット２０ａ１でのカソードストイキ比が曲線Ｓ１よりも高い曲線Ｓ１ａとなるように、エアポンプ３１の回転速度が制御される。同様に、分割ユニット２０ａ２の低周波インピーダンスの虚部が負荷率に応じた所定の範囲内から逸脱して増大した場合には、分割ユニット２０ａ２でのカソードストイキ比が曲線Ｓ２よりも高い曲線Ｓ２ａとなるように、エアポンプ３１ｃの回転速度が制御される。このように、セル内の残水量に応じて分割ユニット２０ａ１及び２０ａ２のそれぞれのカソードストイキ比が制御され、残水量が多いことを示す場合には、そのカソードストイキ比が増大補正され、これにより排水性が向上し、発電性能の低下も抑制される。尚、曲線Ｓ１ａは、曲線Ｓ２よりも低くなるように規定されている。
【００３６】
尚、エアポンプ３１の回転速度の変更により、カソード流路１９ｃ２でのカソードストイキ比のみならず、カソード流路１９ｃ１でのカソードストイキ比も変化する場合には、エアポンプ３１及び３１ｃの双方の回転速度を制御することにより、カソード流路１９ｃ１でのカソードストイキ比を所望の値に制御してもよい。カソード流路１９ｃ１でのカソード背圧が、調圧弁３６ｂの開度のみならずエアポンプ３１の回転速度によっても変動する場合には、調圧弁３６ｂの開度及びエアポンプ３１の回転速度の双方を制御することにより、カソード流路１９ｃ１でのカソード背圧を所望の値となるように制御してもよい。同様に、カソード流路１９ｃ２でのカソード背圧が調圧弁３６ｃの開度のみならずエアポンプ３１ｃの回転速度によっても変動する場合には、調圧弁３６ｃの開度及びエアポンプ３１ｃの回転速度の双方を制御することにより、カソード流路１９ｃ２でのカソード背圧を所望の値となるように制御してもよい。
【００３７】
以上のように第１変形例の燃料電池システム１ａでは、調圧弁３６ｂ及び３６ｃは、第１制御機構の一例である。エアポンプ３１ｃは、第２制御機構の一例である。
【００３８】
次に、第２変形例の燃料電池システム１ｂについて説明する。図７は、第２変形例の燃料電池システム１ｂの構成図である。カソードガス系３０ｂでは、カソードガス配管３２ａの下流端は、カソードガス配管３２ｂ〜３２ｄの上流端に接続されている。ここで、カソードガス配管３２ｃの内径は、カソードガス配管３２ｂ及び３２ｄの各内径よりも大きく形成されている。カソードガス配管３２ａ〜３２ｄが互いに接続された箇所にはエアポンプ３１が設けられている。カソードガス配管３２ｂ〜３２ｄの下流端は、燃料電池２０ｂに接続されている。カソードオフガス配管３４ｂ〜３４ｄの上流端は燃料電池２０ｂに接続されている。カソードオフガス配管３４ｃ及び３４ｄの下流端は、カソードオフガス配管３４ａの上流端に接続されている。カソードオフガス配管３４ａには、圧力センサ４ｃと、圧力センサ４ｃよりも下流側に調圧弁３６ａとが設けられている。カソードオフガス配管３４ｂ上には、圧力センサ４ｂが設けられている。カソードオフガス配管３４ｂの下流端は、カソードオフガス配管３４ｄに接続されている。カソードオフガス配管３４ｄには調圧弁３６ｄが設けられており、詳細にはカソードオフガス配管３４ｂと調圧弁３６ｄとの接続箇所よりも下流側に設けられている。加湿器３３は、カソードオフガス配管３４ａを流通するカソードガス中の水分を利用して、カソードガス配管３２ｂを流通するカソードガスを加湿する。
【００３９】
図８は、燃料電池２０ｂのカソードセパレータ１８ｃ３の説明図である。カソードセパレータ１８ｃ３には、アノード入口マニホールドａ１、アノード出口マニホールドａ２、カソード入口マニホールドｃ１、ｃ３、及びｃ５、カソード出口マニホールドｃ２、ｃ４、及びｃ６、冷媒入口マニホールドｗ１、及び冷媒出口マニホールドｗ２、カソード流路１９ｃ１〜１９ｃ３が形成されている。カソード流路１９ｃ３は、カソード流路１９ｃ１及び１９ｃ２の間に形成されている。カソード流路１９ｃ１〜１９ｃ３は互いに隔てられている。また、カソード入口マニホールドｃ１及びカソード出口マニホールドｃ２と、カソード入口マニホールドｃ３及びカソード出口マニホールドｃ４と、カソード入口マニホールドｃ５及びカソード出口マニホールドｃ６も互いに隔てられている。カソードガスの一部は、カソードガス配管３２ａ及び３２ｄ、カソード入口マニホールドｃ５、カソード流路１９ｃ３、カソード出口マニホールドｃ６、カソードオフガス配管３４ｄ及び３４ａの順に流通する。即ち、カソード流路１９ｃ１〜１９ｃ３をそれぞれ流通するカソードガスは、燃料電池２０ｂ内では合流しないように構成されている。カソード流路１９ｃ３は、ＭＥＧＡ１５を介してアノード流路１９ａの上流側及び下流側の間の中流域に対向する。
【００４０】
このような構成によっても、加湿器３３によりカソード流路１９ｃ１を流通するカソードガスを加湿できる。また、調圧弁３６ｄは、カソードオフガス配管３４ｄ上に設けられているが、上述したようにカソードオフガス配管３４ｄ及び３４ｂが互いに接続された箇所よりも下流側に設けられている。このため、制御ユニット６０ｃにより制御される調圧弁３６ｄの開度により、カソード流路１９ｃ３のみならずカソード流路１９ｃ１でのカソード背圧も高くすることができる。
【００４１】
また、カソードガス配管３２ｃの内径は、カソードガス配管３２ｂ及び３２ｄの各内径よりも大きく形成されている。このため、カソード流路１９ｃ２でのカソードストイキ比をカソード流路１９ｃ１及び１９ｃ３のそれぞれよりも大きくすることができる。
【００４２】
以上のように第２変形例の燃料電池システム１ｂでは、加湿器３３及び調圧弁３６ｄは、第１制御機構の一例である。カソードガス配管３２ｃは、第２制御機構の一例である。
【００４３】
図９は、第３変形例の燃料電池システム１ｃの説明図である。第３変形例では、上述した実施例及び変形例と異なり、カソードガスの供給、排出する機構については簡易に構成されている。具体的には、カソードガス系３０ｃでは、カソードガス配管３２ａの下流端が燃料電池２０ｃに接続され、カソードオフガス配管３４ａの上流端が燃料電池２０ｃに接続されている。また、カソードガス配管３２ａには、上流側から流量センサ３ａ、エアポンプ３１、及び圧力センサ３ｂが設けられている。カソードオフガス配管３４ａには調圧弁３６ａが設けられている。
【００４４】
次にアノードガス系４０ｃについて説明する。アノードガス系４０ｃは、アノードガス配管４２ａ〜４２ｃ、アノードオフガス配管４４ｂ及び４４ｃ、アノード排出配管４４ａ´、加湿配管４８ｂ、循環配管４８ｃを含む。アノードガス配管４２ａの上流端は、アノードガスである水素ガスが充填されたタンクＴに接続され、下流端はアノードガス配管４２ｂ及び４２ｃに接続されている。アノードガス配管４２ａ上には、上流側からタンクバルブ４１ａ、調圧バルブ４１ｂ、及びインジェクタ４１ｃが設けられている。アノードガス配管４２ｂ及び４２ｃの下流端は、燃料電池２０ｃに接続されている。アノードガス配管４２ｂ上には、インジェクタ４３ｂが設けられている。アノードガス配管４２ｃ上には、上流側からエジェクタ４３ｃ、及び圧力センサ４ｃが設けられている。アノードオフガス配管４４ｂ及び４４ｃの上流端は、燃料電池２０ｃに接続されている。アノードオフガス配管４４ｂの下流端は、アノードオフガス配管４４ｃに接続されている。アノードオフガス配管４４ｃの下流端は、気液分離器４５に接続されている。気液分離器４５の鉛直下方側には、アノード排出配管４４ａ´の上流端が接続されている。アノード排出配管４４ａ´上には排水弁４６ａが設けられている。加湿配管４８ｂの上流端は、気液分離器４５と排水弁４６ａとの間のアノード排出配管４４ａ´に接続されている。加湿配管４８ｂの下流端は、インジェクタ４３ｂに接続されている。気液分離器４５の鉛直上方側には、循環配管４８ｃの上流端が接続されている。循環配管４８ｃの下流端は、エジェクタ４３ｃに接続されている。気液分離器４５は、燃料電池２０ｃから排出されたアノードオフガス中の気体と液体とを分離する。気液分離器４５で分離された気体は、循環配管４８ｃを介してエジェクタ４３ｃからアノードガス配管４２ｃへ吸引される。このようにアノードオフガスが循環する。このため、アノードガス配管４２ｃは、インジェクタ４１ｃから噴射されたアノードオフガスの一部と、循環するアノードオフガスとが流通し、アノードガス配管４２ｃから燃料電池２０ｃにアノードストイキ比の大きいアノードガスが燃料電池２０ｃに供給される。また、気液分離器４５内に貯留された液体は、加湿配管４８ｂを介してインジェクタ４３ｂにより所定のタイミングで噴射される。これにより加湿されたアノードガスがアノードガス配管４２ｂから燃料電池２０ｃに供給される。尚、所定のタイミングで排水弁４６ａが開弁することにより、気液分離器４５に貯留された液体や循環するアノードオフガスはアノード排出配管４４ａ´を介して外部へと排出される。
【００４５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれアノードセパレータ１８ａ４及びカソードセパレータ１８ｃ４の説明図である。アノードセパレータ１８ａ４及びカソードセパレータ１８ｃ４のそれぞれには、アノード入口マニホールドａ１１及びａ１３、アノード出口マニホールドａ１２及びａ１４、カソード入口マニホールドｃ１１、カソード出口マニホールドｃ１２、冷媒入口マニホールドｗ１、及び冷媒出口マニホールドｗ２が設けられている。カソード入口マニホールドｃ１１及びカソード出口マニホールドｃ１２は、矩形状のアノードセパレータ１８ａ４及びカソードセパレータ１８ｃ４での、互いに対向する２つの長辺側にそれぞれ設けられている。アノード入口マニホールドａ１１、アノード出口マニホールドａ１４、冷媒出口マニホールドｗ２と、アノード出口マニホールドａ１２、アノード入口マニホールドａ１３、冷媒入口マニホールドｗ１とは、矩形状のアノードセパレータ１８ａ４及びカソードセパレータ１８ｃ４での、互いに対向する２つの短辺側にそれぞれ設けられている。図９及び図１０Ｂに示すように、カソードガスは、カソードガス配管３２ａ、カソード入口マニホールドｃ１１、カソード出口マニホールドｃ１２、カソードオフガス配管３４ａの順に流通する。
【００４６】
図１０Ａに示すように、アノードセパレータ１８ａ４は、互いに隔てられたアノード流路１９ａ１及び１９ａ２を含む。また、アノード入口マニホールドａ１１及びアノード出口マニホールドａ１２と、アノード入口マニホールドａ１３及びアノード出口マニホールドａ１４とも互いに隔てられている。カソードガスの一部は、アノードガス配管４２ａ及び４２ｂ、アノード入口マニホールドａ１１、アノード流路１９ａ１、アノード出口マニホールドａ１２、アノードオフガス配管４４ｂの順に流通する。残りのカソードガスは、アノードガス配管４２ａ及び４２ｃ、アノード入口マニホールドａ１３、アノード流路１９ａ２、アノード出口マニホールドａ１４、アノードオフガス配管４４ｃの順に流れる。即ち、アノード流路１９ａ１及び１９ａ２をそれぞれ流通するカソードガスは、燃料電池２０ｃ内では合流しないように構成されている。アノード流路１９ａ１及び１９ａ２をそれぞれ流れるアノードガスは、互いに逆向きである。アノード流路１９ａ１は、ＭＥＧＡを介してカソードセパレータ１８ｃ４のカソード流路１９ｃの上流側に対向する。アノード流路１９ａ２は、ＭＥＧＡを介してカソード流路１９ｃの下流側に対向する。尚、図１０Ｂに示すように、カソードセパレータ１８ｃ４は、カソード流路１９ｃが形成され、カソードガスは、カソードガス配管３２ａ、カソード入口マニホールドｃ１１、カソード流路１９ｃ、カソード出口マニホールドｃ１２、カソードオフガス配管３４ａの順に流通する。
【００４７】
第３変形例の燃料電池システム１ｃでは、カソードセパレータ１８ｃは、第１セパレータの一例である。カソード入口マニホールドｃ１１は、第１入口マニホールドの一例である。カソード出口マニホールドｃ１２は、第１出口マニホールドの一例である。カソード流路１９ｃは、第１流路の一例である。カソードガスは、第１反応ガスの一例である。アノードセパレータ１８ａは、第２セパレータの一例である。アノード入口マニホールドａ１１及びａ１３は、第２及び第３入口マニホールドの一例である。アノード出口マニホールドａ１２及びａ１４は、第２及び第３出口マニホールドの一例である。アノード流路１９ａ１は、第２流路の一例である。アノード流路１９ａ２は、第３流路の一例である。アノードガスは、第２反応ガスの一例である。
【００４８】
上述したようにインジェクタ４３ｂにより、アノードガス配管４２ｂからアノード流路１９ａ１に流れるアノードガスの湿度は、アノードガス配管４２ｃからアノード流路１９ａ２に流れるアノードガスよりも高くなるように制御される。ここで、上述したように、アノード流路１９ａ１は、ＭＥＧＡを介してカソード流路１９ｃの上流側に対向する。カソード流路１９ｃの上流側は、カソード流路１９ｃの下流側よりも乾燥しやすい状態にある。このため、アノード流路１９ａ１を流れるカソードガスの湿度を高くなるように制御することにより、アノード流路１９ａ１、及びカソード流路１９ｃの上流側に対応するＭＥＡの部分の乾燥を抑制できる。
【００４９】
また、循環配管４８ｃにより、アノードガス配管４２ｃからアノード流路１９ａ２に流れるアノードガスのストイキ比、即ちアノード流路１９ａ２でのアノードストイキ比は、アノード流路１９ａ１よりも大きくなるように制御されている。ここで上述したようにアノード流路１９ａ２は、ＭＥＧＡを介してカソード流路１９ｃの下流側に対向する。カソード流路１９ｃの下流側は、カソード流路１９ｃの上流側よりも液水が残留しやすい。このため、カソード流路１９ｃの下流側に滞留した液水がＭＥＧＡ等を介してアノード流路１９ａ２にまで侵入して、排水性が低下する可能性がある。よって、アノード流路１９ａ２でのアノードストイキ比が大きくなるように制御されることにより、アノード流路１９ａ２からの排水性が向上すると共に、アノードストイキ比の高いアノードガスが供給されることにより発電性能の低下も抑制される。
【００５０】
以上のように第３変形例の燃料電池システム１ｃでは、インジェクタ４３ｂ、気液分離器４５、及び加湿配管４８ｂは、第１制御機構の一例である。エジェクタ４３ｃ及び循環配管４８ｃは、第２制御機構の一例である。
【００５１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料電池システム
１０  セル
１１  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１８ａ  アノードセパレータ（第１セパレータ）
１８ｃ  カソードセパレータ（第２セパレータ
１９ａ  アノード流路（第１流路）
１９ｃ１  カソード流路（第２流路）
１９ｃ２  カソード流路（第３流路）
２０  燃料電池
３３  加湿器（第１制御機構）
３５  分流弁（第２制御機構）
３６ｂ、３６ｃ  調圧弁（第１制御機構）
ａ１  アノード入口マニホールド（第１入口マニホールド）
ａ２  アノード出口マニホールド（第１出口マニホールド）
ｃ１  カソード入口マニホールド（第２入口マニホールド）
ｃ２  カソード出口マニホールド（第２出口マニホールド）
ｃ３  カソード入口マニホールド（第３入口マニホールド）
ｃ４  カソード出口マニホールド（第３出口マニホールド）
【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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