(57)【要約】      （修正有）【課題】単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０の複数の単セル１０−１〜ｎのうち、最も鉛直上方側に配置された第１セル１０−１から複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セル１０−４に、第１検出部Ｖ１を、この第２セル１０−４以外の部位に第２検出部Ｖ２を設ける。出力電圧、温度及びインピーダンスの何れかを検出して、第２検出部Ｖ２の検出結果に基づいて代表電圧、代表温度及び代表インピーダンスのいずれかを取得し、第１検出部Ｖ１での検出結果と代表値の比較結果に基づいて、冷却水流路内での気泡の有無を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、
少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、
複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第１セルから複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルの出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第１検出部と、
前記複数の単セルの前記第２セル以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第２検出部と、
前記第２検出部の検出結果に基づいて代表出力電圧、代表温度、及び代表インピーダンスの何れかを取得する取得部と、
前記燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、
前記判定部は、
検出された前記第２セルの出力電圧と前記代表出力電圧との差分が第１閾値よりも大きい、
検出された前記第２セルの温度と前記代表温度との差分が第２閾値よりも大きい、
検出された前記第２セルのインピーダンスと前記代表インピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きい、
の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、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。
【背景技術】
【０００２】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックには冷却水流路が形成されており、冷却水流路内に気泡が存在していると、燃料電池スタックへの冷却効率が低下する。ここで、気泡周辺の単セルは、気泡の存在により十分に冷却されずに温度が上昇して、出力電圧が低下する場合がある。このような気泡周辺の単セルの出力電圧の低下に基づいて、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定することが考えられる。
【０００３】
気泡の存在により出力電圧が低下するセルは常に同一ではなないため、全ての単セル毎に電圧センサを設けて、単セル毎の出力電圧を検出することが考えられる。しかしながらこの場合、単セルと同数の電圧センサが必要となり、構成が複雑化する。特許文献１には、複数の単セルのうち積層方向の端部に配置された単セルを電圧センサによって検出し、積層方向の中央部近傍に配置された残りの複数の単セルの全体の出力電圧を単一の電圧センサにより検出することが記載されている。これにより、電圧センサの数を削減でき構成を簡易化できるが、気泡が積層方向の中央部近傍にある単セル周辺に存在している場合には、中央部近傍の複数の単セルの全体の出力電圧は大きく低下せずに、気泡の有無の判定精度が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８５６９２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は、単セルの積層方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置される場合がある。このような姿勢で配置された場合においても、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できることが望まれる。
【０００６】
本発明は、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第１セルから複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルの出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第１検出部と、前記複数の単セルの前記第２セル以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第２検出部と、前記第２検出部の検出結果に基づいて代表出力電圧、代表温度、及び代表インピーダンスの何れかを取得する取得部と、前記燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、検出された前記第２セルの出力電圧と前記代表出力電圧との差分が第１閾値よりも大きい、検出された前記第２セルの温度と前記代表温度との差分が第２閾値よりも大きい、検出された前記第２セルのインピーダンスと前記代表インピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きい、の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システムによって達成できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａは、燃料電池システムの概略図であり、図１Ｂは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度及びインピーダンスをそれぞれ示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１Ａは、燃料電池システム（以下、システムと称する）１の概略図である。システム１は、たとえば、車両に搭載される。システム１は、燃料電池スタック（以下、スタックと称する）１０、冷却系２０、電圧センサＶ１及びＶ２、制御装置５０等を備える。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、スタック１０にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系、スタック１０にカソードガスである酸素を含む空気を供給する不図示の空気供給系、及びスタック１０の発電電力を制御する不図示の電力制御系を含む。
【００１１】
スタック１０では、複数の単セル１０−１、１０−２…１０−ｎが積層されており、これらの単セルの積層された方向が略鉛直方向に沿う姿勢で配置されている。これらの単セルはｎ枚積層されている。単セル１０−１は、これら複数の単セルのうち最も鉛直上方側に位置している。単セル１０―ｎは、これら複数の単セルのうち最も鉛直下方側に位置している。各単セルは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、ＭＥＧＡを支持する絶縁部材、及びＭＥＧＡと絶縁部材を挟持する一対のセパレータを有している。ＭＥＧＡは、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、触媒層にそれぞれ接合された一対のガス拡散層とを有している。尚、図示はしていないが、これらの複数の単セルを挟持するように、一対の集電板、一対の絶縁板、及び一対のエンドプレートが配置されている。また、スタック１０には冷却水流路が形成されている。
【００１２】
冷却系２０は、冷却水を所定の経路を経て循環させることにより、スタック１０を冷却するものである。冷却水は循環ポンプ２２により循環経路２１を流通し、ラジエータ２４で熱交換されて冷却されて、スタック１０に供給される。循環ポンプ２２は、制御装置５０に電気的に接続されて制御されている。
【００１３】
スタック１０の内部には、冷却水供給マニホールド１２及び冷却水排出マニホールド１４（以下、共にマニホールドと称する）が形成されており、マニホールド１２及び１４は共に、複数の単セルを貫通して形成されている。マニホールド１２及び１４は循環経路２１に連通している。冷却水は、循環経路２１からマニホールド１２に供給され、マニホールド１２から隣接する単セルのセパレータの間を通過してマニホールド１４へと流れる。これにより複数の単セルは冷却される。マニホールド１２及び１４は、単セル１０―ｎ側に配置されている集電板、絶縁板、及びエンドプレートを貫通して形成されている。尚、本明細書では、マニホールド１２及び１４と隣接する単セル間に形成された流路とを全て含めて、スタック１０の冷却水流路と称する。
【００１４】
電圧センサＶ１及びＶ２は、制御装置５０に電気的に接続されており、それぞれ異なる単セルの出力電圧を検出する。具体的には、電圧センサＶ１は単セル１０−４の出力電圧を検出し、電圧センサＶ２は、積層方向で中央に配置された単セルである単セル１０−（ｎ／２）の電圧を検出する。制御装置５０は、電圧センサＶ１及びＶ２により検出された出力電圧に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について判定する気泡判定制御を実行する。気泡判定制御は、制御装置５０のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により機能的に実現される取得部及び判定部により実行される。
【００１５】
次に、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧の特性について説明する。図１Ｂは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。図１Ｂにおいて、縦軸は出力電圧を示し、横軸は各単セルを示しており、横軸の左側から右側にかけて鉛直上方側から順に単セルを示している。従って、横軸の最も左側の単セルが、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１である。また、図１Ｂには、単セルの総数がｎである場合に、鉛直上方側からの単セルの枚数がｎ／１０枚目に相当する単セル１０−（ｎ／１０）の位置を示している。図１Ｂは、単セル１０―４の出力電圧が最も低い場合を示している。
【００１６】
スタック１０の冷却水流路内に気泡が混入すると、気泡は鉛直上方側に浮上して、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１付近に滞留する。具体的には、気泡の大きさや量にもよるが、マニホールド１２又は１４内の単セル１０−１〜１０―４の近傍や、単セル１０−１〜１０−４の各単セル間に気泡が滞留する。気泡の存在により気泡周辺の単セルが十分に冷却されずに、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇する。このため、気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して乾燥が進行する。これにより、気泡周辺の単セルの出力電圧はそれ以外の単セルの出力電圧よりも低下する。ここで、図１Ｂに示すように、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１の出力電圧が最も低いのではなく、それよりも下方側にある単セル１０−４の出力電圧が最も低くなっている。この理由は、単セル１０−１は、スタック１０の最も外側に位置しているため、スタック１０の外部に放熱されて冷却されやすく、これに伴って単セル１０−１に隣接した単セル１０−２や単セル１０―２に隣接した単セル１０−３も冷却されやすいからと考えられる。尚、単セル１０−４以降の単セルの出力電圧が回復している理由は、単セル１０−４以降の単セル周辺には気泡が存在しておらず、冷却水による放熱効果が徐々に増大しているからと考えられる。本実施例では、冷却水流路内に気泡が存在している場合に最も出力電圧が低下しやすい単セルとして、単セル１０−４が選定されており、上述したように電圧センサＶ１はこの単セル１０−４の出力電圧を検出する。また、冷却水流路内に気泡が存在する場合であっても出力電圧が略変化しない単セルとして、単セル１０−（ｎ／２）が選定されており、上述したように電圧センサＶ２はこの単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧を検出する。尚、このような気泡周辺の単セルの電解質膜の乾燥は、時間が経過するほど進行するため、気泡周辺の単セルの出力電圧は時間が経過するほど低下すると考えられる。
【００１７】
制御装置５０は、電圧センサＶ１及びＶ２の検出結果に基づいてスタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には、以下のようにして判定する。最初に、電圧センサＶ２の検出結果に基づいて代表出力電圧が取得される。ここで電圧センサＶ２により検出された単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧が、代表出力電圧として取得される。次に、検出された単セル１０−４の出力電圧と代表電圧との差分が第１閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。
【００１８】
図１Ｂの例では、単セル１０−４の出力電圧と単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧との差分が第１閾値よりも大きいとして、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。単セル１０−１は、最も鉛直上方側に配置された第１セルの一例である。単セル１０−４は、複数の単セル１０−１〜１０−ｎのうち最も鉛直上方側に配置された単セル１０−１から複数の単セル１０−１〜１０−ｎの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルの一例である。電圧センサＶ１は、単セル１０−４の出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第１検出部の一例である。電圧センサＶ２は、複数の単セル１０−１〜１０−ｎの単セル１０−４以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第２検出部の一例である。このように２つの電圧センサＶ１及びＶ２により、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。
【００１９】
上記のようにスタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定された場合には、循環ポンプ２２の出力を増大させて気泡をスタック１０の冷却水流路内から排出してもよいし、ダイアグ表示又はモニター表示によりスタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していることを報知してもよい。
【００２０】
尚、スタック１０内に形成されたカソードガス及びアノードガスをそれぞれ供給及び排出するマニホールドも、複数の単セルを貫通するように略鉛直方向に延びて形成されているため、スタック１０内で発生した生成水を、重力の作用により上記のマニホールドを介してスタック１０の外部へと排出される。
【００２１】
上記実施例では、電圧センサＶ２は積層方向で中央に配置された単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧を検出するが、電圧センサＶ２が出力電圧を検出する単セルはこれに限定されず、電圧センサＶ１により出力電圧が検出される単セル１０−４以外の部位での単セルの出力電圧を検出してもよい。例えば電圧センサＶ２は、単セル１０−ｎの出力電圧を検出してもよい。また、電圧センサＶ２は、複数の単セル全体での出力電圧を検出してもよい。例えば、電圧センサＶ２は、単セル１０−１〜１０−ｎの合計出力電圧を検出してもよいし、単セル１０−１から単セル１０−ｎまでのうちの連続する複数の単セルの合計出力電圧を検出してもよい。この場合、代表出力電圧として、電圧センサＶ２により検出された合計出力電圧を電圧センサＶ２の検出対象である単セルの数で除算して得られる、一枚当たりの単セルの出力電圧の平均値を用いてもよい。代表出力電圧は、制御装置５０が上記のように算出することにより取得する。
【００２２】
次に第１変形例の気泡判定制御について説明する。第１変形例の気泡判定制御は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれの出力電圧ではなく、温度に基づいて実行される。制御装置５０は、単セル１０−４の温度を検出する温度センサと単セル１０−（ｎ／２）の温度を検出する温度センサとにより、これらの単セルの温度を取得する。図２Ａは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度を示したグラフであり、図１Ｂに対応している。上述したように、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇するが、スタック１０の外側に配置された単セル１０−１や単セル１０−２、１０−３は、冷却されやすいため、単セル１０−４の温度が最も高くなっている。
【００２３】
制御装置５０は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれの温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には以下のようにして判定する。最初に、単セル１０−（ｎ／２）の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて代表温度が取得される。ここでこの温度センサにより検出された単セル１０−（ｎ／２）の温度が、代表温度として取得される。次に、検出された単セル１０−４の温度と代表温度との差分が第２閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。
【００２４】
図２Ａの例では、単セル１０−４の温度と単セル１０−（ｎ／２）の温度との差分が第２閾値よりも大きいとして、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。このように２つの温度センサにより、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。
【００２５】
上記第１変形例では、２つの温度センサの一方は積層方向で中央に配置された単セル１０−（ｎ／２）の温度を検出するが、この温度センサが温度を検出する単セルはこれに限定されず、単セル１０−４以外の部位での単セルの温度を検出してもよい。例えば２つの温度センサの一方は、単セル１０−ｎの温度を検出してもよい。また、冷却水の循環経路２１内のスタック１０よりも下流かつラジエータ２４よりも上流に温度センサを配置して冷却水の温度を検出し、これを代表温度としてもよい。
【００２６】
次に第２変形例の気泡判定制御について説明する。第２変形例の気泡判定制御は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれの出力電圧や温度ではなく、インピーダンスに基づいて実行される。制御装置５０は、単セル１０−４のインピーダンスを検出するセンサと単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスを検出するセンサとにより、これらの単セルのインピーダンス温度を取得する。インピーダンスは、例えば交流インピーダンス法により測定する。図２Ｂは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルのインピーダンスを示したグラフであり、図１Ｂに対応している。上述したように気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して湿度が低下する。これにより、気泡周辺の単セルのインピーダンスは、それ以外の単セルのインピーダンスと比較して増大する。尚、上述した場合と同様の理由により、単セル１０−１や単セル１０−２、１０−３の各インピーダンスが、単セル１０−４のインピーダンスほどは増大していない。
【００２７】
制御装置５０は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれのインピーダンスを検出するセンサの検出結果に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には以下のようにして判定する。最初に、単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスを検出するセンサの検出結果に基づいて代表インピーダンスが取得される。ここでこのセンサにより検出された単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスが、代表インピーダンスとして取得される。次に、検出された単セル１０−４のインピーダンスと代表インピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。
【００２８】
図２Ｂの例では、単セル１０−４のインピーダンスと単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きいとして、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。このように２つのセンサにより、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。
【００２９】
上記第２変形例では、２つのセンサの一方は積層方向で中央に配置された単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスを検出するが、このセンサがインピーダンスを検出する単セルはこれに限定されず、単セル１０−４以外の部位での単セルのインピーダンスを検出してもよい。例えば２つのセンサの一方は、単セル１０−ｎのインピーダンスを検出してもよい。また、単セル１０−４以外の部位でのインピーダンスを検出するセンサは、複数の単セル全体でのインピーダンスを検出してもよい。例えば、このセンサは、単セル１０−１〜１０−ｎの合計インピーダンスを検出してもよいし、単セル１０−１から単セル１０−ｎまでのうちの連続する複数の単セルの合計インピーダンスを検出してもよい。この場合、代表インピーダンスとして、このセンサにより検出された合計インピーダンスをこのセンサの検出対象である単セルの数で除算して得られる、一枚当たりの単セルのインピーダンスの平均値を用いてもよい。代表インピーダンスは、制御装置５０が上記のように算出することにより取得する。
【００３０】
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。
【００３１】
尚、スタック１０は、単セルの積層方向が必ずしも鉛直方向と一致している必要はなく、本出願での「略鉛直方向に沿って」には、単セルの積層方向が鉛直方向から２０度程度までの範囲で傾いているものを含む。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池スタック
１０−１〜１０−ｎ  単セル
１０−１  単セル（第1セル）
１０−４  単セル（第２セル）
１２  冷却水供給マニホールド（冷却水流路）
１４  冷却水排出マニホールド（冷却水流路）
２０  冷却系
５０  制御装置（取得部及び判定部）
Ｖ１  電圧センサ（第1検出部）
Ｖ２  電圧センサ（第2検出部）
【図１】
2019040819.tif 000003
【図２】
2019040819.tif 000004