(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの高温高負荷運転時の発電性能の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池スタックの温度が所定温度以上であって、燃料電池スタックから排出されたＬＬＣの温度Ｔｃが所定値Ｔｃｔｈ以上である高温高負荷運転時に、高温制御モードを実行する。高温制御モードは、複数の単セルのうちの酸素濃度が最も低くなる単セルを特定し、この単セルにおいて、酸素濃度が最も低くなる部位を求め、この部位における酸素濃度Ｄｏが、発電の継続が可能な所定値Ｄｏｔｈ以上となるように、カソードにおける空気の圧力を増加させる。【選択図】図２
2011014484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の単セルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料電池スタックに冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、
前記燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と、前記冷却媒体供給部とを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
発電時の制御モードとして、
前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である場合に実行する通常制御モードと、
前記燃料電池スタックの温度が前記所定温度以上である場合に実行する高温制御モードと、を有し、
前記高温制御モードは、
前記複数の単セルのうちの前記酸化剤ガスの濃度が最も低くなる単セルにおいて、前記酸化剤ガスの濃度が最も低くなる部位における前記酸化剤ガスの濃度が、発電の継続が可能な所定値以上となるように、前記燃料電池スタック内における前記酸化剤ガスの圧力、および、前記冷却媒体の供給量の少なくとも一方を制御する制御モードである、
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）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。そして、この燃料電池は、一般に、複数の単セルを積層させた燃料電池スタックの形態で利用される。
【０００３】
この燃料電池スタックでは、複数の単セル間、および、各単セルの面内において、温度のばらつきが発生する。そして、この温度のばらつきが大きくなると、燃料電池スタックの発電性能が低下する。そこで、従来、燃料電池スタックの温度分布を制御する種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２３９９３号公報
【特許文献２】特開２０００−９０９５０号公報
【特許文献３】特開平８−１１１２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池スタックにおいて、各単セルのカソードには、一般に、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気が供給され、カソードでは、上記電気化学反応によって水（生成水）が生成される。そして、この生成水は、カソードに供給された空気中に蒸発する。このため、カソードの面内において、温度が比較的高い領域では、温度が比較的低い領域よりも、空気中に蒸発する水蒸気量が多くなり、その領域における酸素の濃度が相対的に低下する。この理由は、以下の通りである。
【０００６】
図７は、飽和水蒸気圧曲線を示す説明図である。図７から分かるように、温度が高くなるほど飽和水蒸気圧が高くなる。また、温度が比較的低い場合には、温度分布に所定のばらつきΔＴがあっても、飽和水蒸気圧のばらつきΔＰｗ１は比較的小さい。一方、温度が比較的高い場合には、温度分布に所定のばらつきΔＴがあると、飽和水蒸気圧のばらつきΔＰｗ２が大きくなる。したがって、単セルの温度が高いほど、十分な生成水が存在するカソードの面内において、温度が比較的高い領域における空気中の水蒸気量が増加し、相対的に酸素の濃度が低下する。そして、発電においては、酸素の絶対量ではなく、酸素の濃度が重要であり、カソードの面内において、酸素の濃度が著しく低下し、酸素濃度が不足した領域では、局所的に発電不能となり、燃料電池スタックの発電性能の低下を招く。
【０００７】
しかし、上記特許文献に記載された技術では、単セルの温度が高い場合、すなわち、燃料電池スタックの高温高負荷運転時の、単セルのカソードの面内における局所的な酸化剤ガス（酸素）の濃度の不足による燃料電池スタックの発電性能の低下については考慮されていなかった。
【０００８】
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、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの高温高負荷運転時の発電性能の低下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】
【０００９】
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。
【００１０】
［適用例１］燃料電池システムであって、複数の単セルを積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記燃料電池スタックに冷却媒体を供給する冷却媒体供給部と、前記燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と、前記冷却媒体供給部とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、発電時の制御モードとして、前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である場合に実行する通常制御モードと、前記燃料電池スタックの温度が前記所定温度以上である場合に実行する高温制御モードと、を有し、前記高温制御モードは、前記複数の単セルのうちの前記酸化剤ガスの濃度が最も低くなる単セルにおいて、前記酸化剤ガスの濃度が最も低くなる部位における前記酸化剤ガスの濃度が、発電の継続が可能な所定値以上となるように、前記燃料電池スタック内における前記酸化剤ガスの圧力、および、前記冷却媒体の供給量の少なくとも一方を制御する制御モードである、燃料電池システム。
【００１１】
燃料電池スタックでは、複数の単セル間において、温度分布や圧力分布にばらつきが生じ、これらによって、酸化剤ガスの濃度にもばらつきが生じる。また、各単セルの面内においても、温度分布や圧力分布にばらつきが生じ、これらによって、酸化剤ガスの濃度にもばらつきが生じる。そして、先に説明したように、燃料電池スタックの温度が高いほど、水蒸気圧のばらつきが大きくなるので、酸化剤ガスの濃度のばらつきが大きくなる。
【００１２】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度が所定温度以上である場合に、上述した高温制御モードで、燃料電池スタックの運転を制御するので、単セルにおける局所的な酸化剤ガスの濃度の不足を抑制し、局所的な発電性能の低下を抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの高温高負荷運転時の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１３】
なお、燃料電池スタックにおいて、酸化剤ガスの濃度が最も低くなる単セル、および、この単セルにおいて、酸化剤ガスの濃度が最も低くなる部位は、燃料電池スタックの構造および運転条件に基づいて求めることができる。また、例えば、１つまたは２つ以上の単セルに、冷却媒体の流路断面積が他の部位よりも狭い部位を設けることによって、温度が高くなりやすく、酸化剤ガスの濃度が低下しやすい部位を予め設けておくようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１０００における燃料電池スタック１００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】燃料電池スタック１００における複数の単セル４０の中から酸素濃度が最も低くなる単セル４０（単セル４０ｄ）を特定し、さらに、その単セル４０ｄにおいて酸素濃度が最も低くなる部位を求める方法の概略を模式的示す説明図である。
【図４】第２実施例の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時に、燃料電池スタック１００に供給するＬＬＣの流量を変化させたときの複数の単セル４０における温度のばらつき、および、飽和水蒸気圧曲線を示す説明図である。
【図６】第３実施例の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１００の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】飽和水蒸気圧曲線を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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１０００の概略構成を示す説明図である。
【００１６】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、概ね、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、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての酸素を含む空気の流路や、冷却媒体の流路が形成されている。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に、これらを積層することによって構成されている。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却媒体を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド）と、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガス、ならびに、冷却媒体をそれぞれ集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド）が形成されている。
【００１８】
燃料電池スタック１００の水素供給マニホールドには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、および、配管５３に配設されたレギュレータ５２によって流量、および、圧力が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各単セル４０のアノードに供給される。各単セル４０から排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。水素タンク５０、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３は、［課題を解決するための手段］における燃料ガス供給部に相当する。
【００１９】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。また、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００２０】
燃料電池スタック１００の空気供給マニホールドには、配管６１を介して、配管６１に配設されたエアポンプ６０によって、空気が供給される。この空気は、空気供給マニホールドを介して、各単セル４０のカソードに供給される。各単セル４０のカソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、排出配管６２には、圧力調整弁６３、および、圧力計６４が配設されており、これらによって、燃料電池スタック１００内における空気の圧力を調整することができる。エアポンプ６０、配管６１は、［課題を解決するための手段］における酸化剤ガス供給部に相当する。
【００２１】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却媒体も供給される。本実施例では、冷却媒体として、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）を用いるものとした。燃料電池スタック１００の冷却媒体供給マニホールドには、配管７２を介して、配管７２に配設されたウォーターポンプ７１によって、ラジエータ７０によって冷却されたＬＬＣが供給される。燃料電池スタック１００のから排出されたＬＬＣは、冷却媒体排出マニホールドに接続された配管７３を介して、ラジエータ７０に循環する。なお、配管７３には、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度を検出するための温度センサ７４が配設されている。ラジエータ７０、ウォーターポンプ７１、配管７２，７３は、［課題を解決するための手段］における冷却媒体供給部に相当する。
【００２２】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなど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、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。なお、ＲＯＭには、後述する運転制御処理において参照される種々のマップも記憶されている。制御ユニット８０は、［課題を解決するための手段］における制御部に相当する。
【００２３】
Ａ２．運転制御処理：
先に説明したように、従来の燃料電池システムを採用した場合、燃料電池スタックでは、高温高負荷運転時に、単セルのカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足によって、燃料電池スタックの発電性能の低下を招く場合がある。本実施例の燃料電池システム１０００では、このような燃料電池スタック１００の発電性能の低下を抑制するように、以下に説明する運転制御処理を実行する。
【００２４】
図２は、第１実施例の燃料電池システム１０００における燃料電池スタック１００の運転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８０のＣＰＵが実行する処理である。本実施例の運転制御処理には、発電時の制御モードとして、通常制御モードと、高温制御モードとが用意されている。通常制御モードは、燃料電池スタック１００の温度が所定温度未満である場合に実行する制御モードである。また、高温制御モードは、燃料電池スタック１００の温度が所定温度以上である場合に実行する制御モードである。
【００２５】
燃料電池スタック１００による発電開始時に、ＣＰＵは、まず、通常制御モードを実行する。すなわち、ＣＰＵは、要求出力に基づいて、レギュレータ５２、ポンプ５５、エアポンプ６０、圧力調整弁６３、ウォーターポンプ７１を制御し、水素、空気、ＬＬＣの流量を制御する（ステップＳ１００）。
【００２６】
次に、ＣＰＵは、温度センサ７４によって、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃを検出し（ステップＳ１１０）、その温度が所定値Ｔｃｔｈ以上か否かを判断する（ステップＳ１２０）。燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃについての所定値Ｔｃｔｈは、複数の単セル４０間の温度のばらつき、および、飽和水蒸気圧のばらつきの大きさ（図７参照）を考慮して設定されている。飽和水蒸気圧のばらつきの目標値が小さいほど、所定値Ｔｃｔｈには、小さい値が設定される。
【００２７】
ステップＳ１２０において、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃが所定値Ｔｃｔｈ未満である場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、処理は、ステップＳ１００に戻り、通常制御モードを継続する。燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃが所定値Ｔｃｔｈ未満である場合には、燃料電池スタック１００におけるすべての単セル４０の温度が所定温度Ｔｔｈ未満であり、先述した単セル４０のカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足による燃料電池スタック１００の発電性能の低下は生じない推定できるからである。
【００２８】
一方、ステップＳ１２０において、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃが所定値Ｔｃｔｈ以上である場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、高温制御モードを実行する。燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃが所定値Ｔｃｔｈ以上である場合には、燃料電池スタック１００におけるいずれかの単セル４０の温度が所定温度Ｔｔｈ以上であり、先述した単セル４０のカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足による燃料電池スタック１００の発電性能の低下のおそれがあると推定できるからである。
【００２９】
この高温制御モードでは、ＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１００における複数の単セル４０の中から、酸素濃度が最も低くなる単セル４０を特定する（ステップＳ１３０）。酸素濃度が最も低くなる単セル４０は、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃと、燃料電池スタック１００のカソードの圧力とに基づいて、ＲＯＭに記憶されたマップを参照し、所定の演算を行うことによって特定することができる。なお、燃料電池スタック１００における複数の単セル４０の中から、酸素濃度が最も低くなる単セル４０を特定する方法については、後から詳述する。
【００３０】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１３０で特定された酸素濃度が最も低くなる単セル４０のカソードの面内において、酸素濃度が最も低くなる部位を求めるとともに、その部位における酸素濃度Ｄｏを算出する（ステップＳ１４０）。酸素濃度が最も低くなる部位、および、その部位における酸素濃度Ｄｏも、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度Ｔｃと、燃料電池スタック１００のカソードの圧力とに基づいて、ＲＯＭに記憶されたマップを参照して、所定の演算を行うことによって求めることができる。なお、酸素濃度が最も低くなる部位、および、その部位における酸素濃度Ｄｏを求める方法については、後から詳述する。
【００３１】
そして、ＣＰＵは、ステップＳ１４０で求めた酸素濃度が最も低くなる部位における酸素濃度Ｄｏが所定値Ｄｏｔｈ未満であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。酸素濃度についての所定値Ｄｏｔｈは、発電可能な下限値よりも大きな値が設定されている。酸素濃度が最も低くなる部位における酸素濃度Ｄｏが所定値Ｄｏｔｈ以上である場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、処理は、ステップＳ１００に戻る。酸素濃度が最も低くなる部位における酸素濃度Ｄｏが所定値Ｄｏｔｈ以上である場合には、先述した単セル４０のカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足による燃料電池スタック１００の発電性能の低下は生じないと推定できるからである。
【００３２】
一方、酸素濃度Ｄｏが所定値Ｄｏｔｈ未満である場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、圧力調整弁６３を制御して、カソードにおける圧力を増加させる（ステップＳ１６０）。こうすることによって、酸素濃度が最も低くなる単セル４０において、酸素濃度が最も低くなる部位における酸素濃度Ｄｏを、発電を継続可能な下限値よりも大きな値とすることができる。この結果、燃料電池スタック１００のすべての単セル４０のカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足を抑制することができる。
【００３３】
図３は、上述した運転制御処理のステップＳ１３０、および、ステップＳ１４０において、燃料電池スタック１００における複数の単セル４０の中から、酸素濃度が最も低くなる単セル４０（単セル４０ｄ）を特定し、さらに、その単セル４０ｄにおいて酸素濃度が最も低くなる部位を求める方法の概略を模式的示す説明図である。
【００３４】
図３（ａ）に、燃料電池スタック１００において、複数の４０が積層されている様子を示した。なお、燃料電池スタック１００において、空気およびＬＬＣは、図３（ａ）において最も手前（Ｎ側）に配置された単セル４０に供給され、手前（Ｎ側）から奥（Ｆ側）に向かって流れつつ、各単セル４０に分配して供給される。そして、各単セル４０から排出されたカソードオフガスおよびＬＬＣは、図３（ａ）の奥（Ｆ側）から手前（Ｎ側）に向かって流れ、図３（ａ）において最も手前（Ｎ側）に配置された単セル４０から排出されるものとする。
【００３５】
まず、上述した運転制御処理のステップＳ１３０において、燃料電池スタック１００における複数の単セル４０の中から、酸素濃度が最も低くなる単セル４０（単セル４０ｄ）を特定する方法について説明する。図３（ｂ）に、複数の単セル４０の積層方向（図３（ａ）におけるｚ方向）についての、ＬＬＣの出口における水温（ＬＬＣの温度）の分布と、カソードの圧力（ＣＡ圧力）の分布と、酸素濃度の分布とを示した。なお、図３（ｂ）における水温の分布は、複数の単セル４０の各平均温度の積層方向についての分布を反映している。つまり、図３（ｂ）における水温の分布は、複数の単セル４０の各平均温度の積層方向についての分布を間接的に示している。
【００３６】
制御ユニット８０のＲＯＭには、燃料電池スタック１００から排出されるＬＬＣの温度と燃料電池スタック１００へのＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）と複数の単セル４０の積層方向についての温度分布との関係を表したマップが記憶されている。また、制御ユニット８０のＲＯＭには、燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスの圧力と燃料電池スタック１００に供給される空気の流量（エアポンプ６０の回転数）と複数の単セル４０における各カソードの圧力との関係を表したマップが記憶されている。
【００３７】
そして、運転制御処理のステップＳ１３０において、燃料電池スタック１００から排出されたＬＬＣの温度、および、燃料電池スタック１００へのＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）は既知である。したがって、制御ユニット８０のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された燃料電池スタック１００から排出されるＬＬＣの温度と燃料電池スタック１００へのＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）と複数の単セル４０の積層方向についての温度分布との関係を表したマップを参照して、図３（ｂ）の上段に示した水温の分布についてのプロファイルを得る。
【００３８】
また、ステップＳ１３０において、燃料電池スタック１００から排出されたカソードオフガスの圧力、および、燃料電池スタック１００に供給される空気の流量（エアポンプ６０の回転数）は既知である。したがって、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスの圧力と燃料電池スタック１００に供給される空気の流量（エアポンプ６０の回転数）と複数の単セル４０における各カソードの圧力との関係を表したマップを参照して、図３（ｂ）の中段に示したカソードの圧力の分布についてのプロファイルを得る。
【００３９】
そして、ＣＰＵは、上述した２つのプロファイル、および、図７に示した飽和水蒸気圧曲線に基づいて、図３（ｂ）の下段に示した複数の単セル４０についての酸素濃度の分布のプロファイルを求め、このプロファイルから酸素濃度が最も低くなる単セル４０ｄを特定することができる。
【００４０】
次に、上述した運転制御処理のステップＳ１４０において、酸素濃度が最も低くなる単セル４０ｄにおいて酸素濃度が最も低くなる部位を求める方法について説明する。図３（ｃ）に、酸素濃度が最も低くなる単セル４０ｄにおけるカソードガス（空気およびカソードオフガス）の流れ方向と、ＬＬＣの流れ方向と、酸素濃度が最も低くなる部位Ａとを示した。また、図３（ｄ）に、単セル４０ｄにおけるカソードガスの流れ方向（図３（ａ）におけるｙ方向）についての水温（ＬＬＣの温度）の分布と、カソードの圧力（ＣＡ圧力）の分布と、酸素濃度の分布とを示した。また、図３（ｅ）に、単セル４０ｄにおけるＬＬＣの流れ方向（図３（ａ）におけるｘ方向）についての、水温（ＬＬＣの温度）の分布と、カソードの圧力（ＣＡ圧力）の分布と、酸素濃度の分布とを示した。なお、図３（ｄ），（ｅ）における水温の分布は、単セル４０ｄの面内における温度分布を反映している。つまり、図３（ｄ），（ｅ）における水温の分布は、単セル４０ｄの面内における温度分布を間接的に示している。
【００４１】
制御ユニット８０のＲＯＭには、先に説明したマップの他に、さらに、燃料電池スタック１００から排出されるＬＬＣの温度と燃料電池スタック１００へのＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）と単セル４０の面内におけるカソードガスの流れ方向についての温度分布との関係を表したマップが記憶されている。また、制御ユニット８０のＲＯＭには、燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスの圧力と燃料電池スタック１００に供給される空気の流量（エアポンプ６０の回転数）と単セル４０の面内におけるカソードガスの流れ方向についてのカソードの圧力との関係を表したマップが記憶されている。
【００４２】
そして、運転制御処理のステップＳ１４０において、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された燃料電池スタック１００から排出されるＬＬＣの温度と燃料電池スタック１００へのＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）と単セル４０の面内におけるカソードガスの流れ方向についての温度分布との関係を表したマップを参照して、図３（ｄ）の上段に示した水温の分布についてのプロファイルを得る。また、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスの圧力と燃料電池スタック１００に供給される空気の流量（エアポンプ６０の回転数）と単セル４０の面内におけるカソードガスの流れ方向についてのカソードの圧力との関係を表したマップを参照して、図３（ｄ）の中段に示したカソードの圧力の分布についてのプロファイルを得る。そして、ＣＰＵは、上述した２つのプロファイル、および、図７に示した飽和水蒸気圧曲線に基づいて、図３（ｄ）の下段に示した酸素濃度の分布についてのプロファイルを求める。
【００４３】
また、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された燃料電池スタック１００から排出されるＬＬＣの温度と燃料電池スタック１００へのＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）と単セル４０の面内におけるＬＬＣの流れ方向についての温度分布との関係を表したマップを参照して、図３（ｅ）の上段に示した水温の分布についてのプロファイルを得る。また、ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された燃料電池スタック１００から排出されるカソードオフガスの圧力と燃料電池スタック１００に供給される空気の流量（エアポンプ６０の回転数）と単セル４０の面内におけるＬＬＣの流れ方向についてのカソードの圧力との関係を表したマップを参照して、図３（ｅ）の中段に示したカソードの圧力についてのプロファイルを得る。そして、ＣＰＵは、上述した２つのプロファイル、および、図７に示した飽和水蒸気圧曲線に基づいて、図３（ｄ）の下段に示した酸素濃度についてのプロファイルを求める。
【００４４】
そして、ＣＰＵは、図３（ｄ）の下段に示した酸素濃度についてのプロファイルと、図３（ｅ）の下段に示した酸素濃度についてのプロファイルとから、酸素濃度が最も低くなる単セル４０ｄにおいて、酸素濃度が最も低くなる部位Ａ（図３（ｃ）参照）を求めることができる。なお、酸素濃度が最も低くなる部位Ａは、図３（ｄ）の下段に示した酸素濃度が最も低くなる領域Ａｙと、図３（ｅ）に示した酸素濃度が最も低くなる領域Ａｘとが交わる部位である。
【００４５】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、運転制御処理において、燃料電池スタック１００の温度が所定温度以上である高温高負荷運転時に、上述した高温制御モードで燃料電池スタック１００の運転を制御するので、単セル４０における局所的な酸素濃度の不足を抑制し、局所的な発電性能の低下を抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、上述した高温制御モードによる運転制御は、高温高負荷運転時のみ実行するので、すべての発電時に実行する場合よりも、ＣＰＵの負荷を軽減することができる。また、すべての発電時に実行する場合よりも、先に説明した種々のマップの容量を小さくすることができる。
【００４７】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムのハードウェア構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００のハードウェア構成と同じである。ただし、第２実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１００の運転制御処理が、第１実施例の燃料電池システム１０００と異なっている。以下、第２実施例の運転制御処理について説明する。
【００４８】
図４は、第２実施例の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１００の運転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８０のＣＰＵが実行する処理である。
【００４９】
本実施例の運転制御処理において、ステップＳ１００〜Ｓ１５０は、第１実施例と同じである。そして、ステップＳ１５０において、酸素濃度が所定値Ｄｏｔｈ未満である場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ウォーターポンプ７１の回転数を増加させ（ステップＳ１７０）、燃料電池スタック１００の温度を低下させる。こうすることによって、カソードにおける飽和水蒸気圧を低下させ、空気中の水蒸気量を減少させ、相対的に酸素濃度を増加させることができる。したがって、単セル４０のカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足を抑制することができる。
【００５０】
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１００の高温高負荷運転時に、単セル４０における局所的な酸素濃度の不足を抑制し、局所的な発電性能の低下を抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時の発電性能の低下を抑制することができる。
【００５１】
Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池システムのハードウェア構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００のハードウェア構成と同じである。ただし、第３実施例の燃料電池システムは、冷却系の設計および特性に起因して、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時に、燃料電池スタック１００に供給するＬＬＣの流量（ウォーターポンプ７１の回転数）を増加することによって、複数の単セル４０の平均温度は低下するが、複数の単セル４０における温度のばらつきが大きくなり、また、最高温度が高くなるシステムである。
【００５２】
図５は、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時に、燃料電池スタック１００に供給するＬＬＣの流量を変化させたときの複数の単セル４０における温度のばらつき、および、飽和水蒸気圧曲線を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１００に供給するＬＬＣの流量が比較的多い状態１の場合の複数の単セル４０の平均温度Ｔａｖ１は、燃料電池スタック１００に供給するＬＬＣの流量が状態１よりも少ない状態２の場合の複数の単セル４０の平均温度Ｔａｖ２よりも低い。また、第３実施例の燃料電池システムは、状態１の場合の複数の単セル４０の温度のばらつきΔＴ１が、状態２の場合の複数の単セル４０の温度のばらつきΔＴ２よりも大きくなる特性を有している。また、第３実施例の燃料電池システムは、状態１の場合の複数の単セル４０の最高温度Ｔｍａｘ１が、状態２の場合の複数の単セル４０の最高温度Ｔｍａｘ２よりも高くなる特性を有している。このため、状態１の場合には、温度が最高温度Ｔｍａｘ１となる単セル４０において、飽和水蒸気圧も最も高くなり、酸素濃度が最も低くなる。したがって、この単セル４０では、局所的な酸素濃度の不足によって、局所的な発電性能の低下が発生するおそれがある。
【００５３】
そこで、上述した特性を有する第３実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１００の運転制御処理を、第１実施例の燃料電池システム１０００と異なる処理としている。
【００５４】
図６は、第３実施例の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１００の運転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８０のＣＰＵが実行する処理である。
【００５５】
本実施例の運転制御処理において、ステップＳ１００〜Ｓ１５０は、第１実施例と同じである。そして、ステップＳ１５０において、酸素濃度Ｄｏが所定値Ｄｏｔｈ未満である場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ウォーターポンプ７１の回転数を減少させ（ステップＳ１８０）、複数の単セル４０における温度のばらつきを小さくし、複数の単セル４０の最高温度を低下させる。こうすることによって、カソードにおける飽和水蒸気圧を低下させ、空気中の水蒸気量を減少させ、相対的に酸素濃度を増加させることができる。したがって、単セル４０のカソードの面内における局所的な酸素濃度の不足を抑制することができる。
【００５６】
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１００の高温高負荷運転時に、単セル４０における局所的な酸素濃度の不足を抑制し、局所的な発電性能の低下を抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時の発電性能の低下を抑制することができる。
【００５７】
Ｄ．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。
【００５８】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、制御ユニット８０のＣＰＵは、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時に、酸素濃度が最も低下する単セル４０ｄ、および、この単セル４０ｄのカソードの面内において酸素濃度が最も低下する部位を、マップを参照して求め、この部位における酸素濃度を監視するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池スタック１００におけるいずれかの単セル４０に、酸素濃度が最も低下する部位を予め設けておき、この部位における酸素濃度を、直接的または間接的に監視するようにしてもよい。この場合、燃料電池スタック１００において、酸素濃度の監視を行うべき酸素濃度が最も低下する部位の数は、１点としてもよいし、２点以上としてもよい。なお、単セル４０において酸素濃度が最も低下する部位は、例えば、ＬＬＣの流路断面積を部分的に狭くし、局所的に温度が上昇しやすい部位を形成することによって設けることができる。
【００５９】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、燃料電池スタック１００の高温高負荷運転時に、圧力調整弁６３を制御して、カソードにおける圧力を増加させたり、ウォーターポンプ７１の回転数を制御して、ＬＬＣの供給量を制御したりするものとしたが、これらの両方を制御するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０，４０ｄ…単セル
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…エアポンプ
６１…配管
６２…排出配管
６３…圧力調整弁
６４…圧力計
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２，７３…配管
７４…温度センサ
８０…制御ユニット
【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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