(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の乾燥状態を解消し放電性能を向上させる燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する。燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔＰ０として燃料電池集合体を運転し、運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値が所定の基準値Ｒ０よりも高い場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を、ΔＰ０よりも増やし、前記抵抗値が基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行する。【選択図】図４
2015204253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を備える燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、
前記膜・電極接合体の一面側に配置されかつ前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、
燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、かつ、
燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する方法であって、
燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔＰ０として燃料電池集合体を運転し、
前記運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第１の抵抗値を測定し、
前記第１の抵抗値が所定の基準値Ｒ０よりも高い場合に、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、前記脈動幅ΔＰ０よりも増やし、
前記第１の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
前記燃料電池システムが、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値の時間に対する変化率を測定する抵抗変化率測定装置を備え、かつ、
燃料ガス圧力の脈動幅を増やした場合であって、
前記抵抗変化率測定装置により脈動幅増大後の抵抗変化率を測定し、
脈動幅増大後の抵抗変化率が所定の基準値α０（＜０）未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、
脈動幅増大後の抵抗変化率が前記基準値α０以上かつ０未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに増やし、
脈動幅増大後の抵抗変化率が０以上の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を前記ΔＰ０よりも減らす、請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
脈動幅増大後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、
前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第２の抵抗値を測定し、
前記第２の抵抗値が前記基準値Ｒ０よりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、
前記第２の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行する、請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
燃料ガス圧力の脈動幅を減らした場合であって、
前記抵抗変化率測定装置により脈動幅減少後の抵抗変化率を測定し、
脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α０未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、
脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α０以上かつ０未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに減らし、
脈動幅減少後の抵抗変化率が０以上の場合に、燃料電池システムの運転を続行する、請求項２又は３に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
脈動幅減少後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、
前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第３の抵抗値を測定し、
前記第３の抵抗値が前記基準値Ｒ０よりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、
前記第３の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行する、請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池システムが、前記膜・電極接合体の他の一面側に配置されかつ前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をさらに備え、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とが互いに対向するようにそれぞれ配置され、
さらに前記燃料電池システムが加湿制御を行わない、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の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、燃料電池の乾燥状態を解消し放電性能を向上させる燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス流路内の乾燥及び湿潤状態を制御する燃料電池システムの技術はこれまでにも知られている。特許文献１には、アノード流路内の液水量が少ない場合に、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくする増減圧差設定手段を備える燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９１３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の発明においては、増減圧差を小さくすることによってアノード流路内の液水量を増やすことを狙いとしている。しかし、本発明者らの検討により、増減圧差を小さくすることにより却ってガス流路内の乾燥状態が進行する場合のあることが明らかとなった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、燃料電池の乾燥状態を解消し放電性能を向上させる燃料電池システムの制御方法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】
【０００５】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を備える燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、前記膜・電極接合体の一面側に配置されかつ前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、かつ、燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する方法であって、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔＰ０として燃料電池集合体を運転し、前記運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第１の抵抗値を測定し、前記第１の抵抗値が所定の基準値Ｒ０よりも高い場合に、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、前記脈動幅ΔＰ０よりも増やし、前記第１の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することを特徴とする。
【０００６】
本発明において、前記燃料電池システムが、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値の時間に対する変化率を測定する抵抗変化率測定装置を備え、かつ、燃料ガス圧力の脈動幅を増やした場合であって、前記抵抗変化率測定装置により脈動幅増大後の抵抗変化率を測定し、脈動幅増大後の抵抗変化率が所定の基準値α０（＜０）未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、脈動幅増大後の抵抗変化率が前記基準値α０以上かつ０未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに増やし、脈動幅増大後の抵抗変化率が０以上の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を前記ΔＰ０よりも減らすことが好ましい。
【０００７】
本発明において、脈動幅増大後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第２の抵抗値を測定し、前記第２の抵抗値が前記基準値Ｒ０よりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、前記第２の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することが好ましい。
【０００８】
本発明において、燃料ガス圧力の脈動幅を減らした場合であって、前記抵抗変化率測定装置により脈動幅減少後の抵抗変化率を測定し、脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α０未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α０以上かつ０未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに減らし、脈動幅減少後の抵抗変化率が０以上の場合に、燃料電池システムの運転を続行することが好ましい。
【０００９】
本発明において、脈動幅減少後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第３の抵抗値を測定し、前記第３の抵抗値が前記基準値Ｒ０よりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、前記第３の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することが好ましい。
【００１０】
本発明において、前記燃料電池システムが、前記膜・電極接合体の他の一面側に配置されかつ前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をさらに備え、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とが互いに対向するようにそれぞれ配置され、さらに前記燃料電池システムが加湿制御を行わないことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料ガス圧力の脈動幅を増やすことにより、乾燥状態を解消し、かつ燃料電池システムの放電特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に使用される燃料電池セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明において制御される燃料電池システムの一例を示す回路の模式図である。
【図３】水素圧力脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の制御方法における、燃料ガス圧力、燃料ガス圧力の脈動幅、抵抗の時間変化率、及び抵抗の各時間変化を模式的に表した４つのグラフを並べて示したものである。
【図５】本発明の制御方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図６】本発明の制御方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図７】本発明の制御方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図８】本発明の制御方法の第４の実施形態の一部を示すフローチャートである。
【図９】本発明の制御方法の第５の実施形態の一部を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を備える燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、前記膜・電極接合体の一面側に配置されかつ前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、かつ、燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する方法であって、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔＰ０として燃料電池集合体を運転し、前記運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第１の抵抗値を測定し、前記第１の抵抗値が所定の基準値Ｒ０よりも高い場合に、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、前記脈動幅ΔＰ０よりも増やし、前記第１の抵抗値が前記基準値Ｒ０以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することを特徴とする。
【００１４】
燃料電池の放電状態は、電池内の含水量に大きく左右される。特に７０℃以上の高温運転時には、乾燥による電圧低下が生じやすい。また、供給ガスを循環させないいわゆる循環レスシステムにおいては、カウンターフロー効果が低減することにより、６０℃程度の温度であったり低負荷であったりしても、乾燥による電圧低下が生じることがある。
カウンターフロー効果の低減を緩和させる方法として、燃料ガスの圧力を一定の振幅で脈動させる技術が知られている。燃料ガスの圧力を脈動させ、瞬間的に燃料ガス流量を増やすことにより、燃料ガス流路全体に燃料ガスを行き渡らせることができ、電極反応が燃料電池セル内部で満遍なく進行する結果、生成する水により燃料ガス流路全体を十分湿潤させることができ、乾燥を抑えることができる。また、燃料ガスの圧力が常に高い状態である場合よりも燃料ガスの供給量を抑えることができるため、燃料ガスが再利用されない循環レスシステムにおいて燃費を節約することができる。
【００１５】
上述したように、本発明者らは、燃料ガスの圧力を脈動させる燃料電池において、当該脈動の幅を小さくすることで、乾燥状態がより進行することを見出した。図３は、水素圧力脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を示すグラフである。このグラフは、６０℃の温度条件かつ０．２Ａ／ｃｍ２の電流密度条件下で得られたものである。図３から分かるように、脈動幅が３０ｋＰａを超える場合には、セル電圧は緩やかに低減する。しかし、脈動幅が２０ｋＰａよりも小さい場合には、セル電圧は急激に低下する。すなわち、ある脈動幅から脈動幅を小さくしてしまうと、セル電圧が大きく低下する可能性の方が高いことが分かる。この温度及び電流密度条件下においては、脈動幅を２０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下とすることによりセル電圧を高く維持することができ、この脈動幅の範囲を外れた場合には、高いセル電圧は期待できないこととなる。このように、燃料ガスの脈動幅には、セル電圧を高く保つことができる最適値又は最適範囲が存在する。
【００１６】
本発明者らは、鋭意努力の結果、燃料ガス圧力の脈動幅とセル電圧との関係を示すマップに基づき、当該脈動幅の最適値又は最適範囲を維持することにより、循環レスシステムにおいても乾燥を抑え電圧低減を防止することが可能となり、さらに燃費も向上することを見出し、本発明を完成させた。
【００１７】
図１は、本発明に使用される燃料電池セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。膜・電極接合体８は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ということがある）１、並びに、当該電解質膜１を挟む一対のカソード電極６及びアノード電極７を備える。燃料電池セル（単セル）１００は、膜・電極接合体８、並びに、当該膜・電極接合体８を電極の外側から挟む一対のセパレータ９及び１０を備える。セパレータと電極との境界には酸化剤ガス流路１１及び燃料ガス流路１２が確保されている。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層及びガス拡散層の積層体が用いられる。すなわち、カソード電極６はカソード触媒層２及びガス拡散層４の積層体を備え、アノード電極７はアノード触媒層３及びガス拡散層５の積層体を備える。
【００１８】
高分子電解質膜とは、燃料電池において用いられる高分子電解質膜であり、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。
【００１９】
電極は、触媒層及びガス拡散層を備えることが好ましい。
アノード触媒層及びカソード触媒層はいずれも、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜同様の材料を用いることができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノード電極に供給される燃料の酸化反応又はカソード電極に供給される酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
【００２０】
触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、高分子電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、高分子電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、高分子電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、高分子電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散シート表面に触媒層を形成してもよい。
【００２１】
触媒インクは上記のような触媒及び電極用電解質等を、溶媒に分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。
【００２２】
触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥等が挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすればよい。
【００２３】
ガス拡散層を形成するガス拡散シートとしては、触媒層に効率良く燃料を供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム及びその合金、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、亜鉛合金、鉛合金、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。
【００２４】
ガス拡散シートは、上記導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び高分子電解質膜内の液水量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善できるという利点がある。
上記方法によって触媒層を形成した高分子電解質膜及びガス拡散シートは、適宜、重ね合わせて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
【００２５】
作製された膜・電極接合体は、好ましくは、反応ガス流路を有するセパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。このようなセパレータを、適切に圧縮成形又は切削加工等することによって、上述した反応ガス流路を形成することができる。
【００２６】
図２は、本発明において制御される燃料電池システムの一例を示す回路の模式図である。図２中の矢印は、ガス流路及び当該流路中のガス流れ方向の両方を示す。また、図２中の二重波線は図の省略を示す。
図２における燃料電池集合体とは、例えば、燃料電池セルに図１に示したような平型形状のセルを採用した場合には、燃料電池スタックを示す。また、燃料電池セルに中空糸状のセルを採用した場合には、燃料電池集合体とは当該中空糸状セルを撚り合わせた束を指す。
【００２７】
図２中の酸化剤ガス流路１１及び燃料ガス流路１２は、図１に示した酸化剤ガス流路１１又は燃料ガス流路１２にそれぞれ対応する。図２に示す通り、酸化剤ガス流路１１及び燃料ガス流路１２は、酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが互いに対向するようにそれぞれ配置されていることが好ましい。このようにガス流れ方向を対向させる（いわゆるカウンターフローとする）ことにより、酸化剤ガス流路の出口近傍で生成した水を、電解質膜を介して燃料ガス流路の入口近傍に運ぶことができ、ガス流路全体を適度に湿潤させることができる。したがって、カウンターフローの構成を採用する場合、燃料電池集合体の加湿制御を行わなくてもよいものとする。
【００２８】
図２中の抵抗測定装置２１は、燃料電池集合体、及び当該集合体を構成する燃料電池セルの少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する装置である。抵抗測定装置２１は、図２に示す通り燃料電池集合体の外部に設けられていてもよいし、燃料電池集合体に内蔵されていてもよい。抵抗測定装置により測定される抵抗は、燃料電池セルが良好に作動しているか否か、具体的には、燃料電池セル内が湿潤状態又は乾燥状態にあるか否かを示す指標となる。
抵抗測定装置の具体例としては、抵抗計、及びインピーダンス測定装置等が挙げられる。
本発明における燃料電池システムは、抵抗変化率測定装置を備えていてもよい。当該測定装置が測定する抵抗変化率とは、燃料電池集合体、及び当該集合体を構成する燃料電池セルの少なくともいずれか一方の抵抗値の時間に対する変化率を指す。
抵抗測定装置及び抵抗変化率測定装置は、同一の装置であってもよいし、異なる装置であってもよい。また、抵抗変化率測定装置は、抵抗測定装置により測定される抵抗値に基づき抵抗変化率を算出する装置であってもよい。
【００２９】
本発明において制御される燃料電池システムにおいては、燃料ガスの循環を行わない、いわゆる燃料ガス循環レスシステムが採用される。燃料ガス循環レスシステムにおいては、燃料ガス流量が減ることに起因するカウンターフロー効果低減のため、燃料電池セルが乾燥に曝される頻度が高くなる。したがって、乾燥抑制のための制御は、燃料ガス循環レスシステムにおいては特に効果がある。
【００３０】
図２中の燃料ガス圧力調整装置は、燃料ガス流路上に配置され、燃料電池集合体に供給される燃料ガスの圧力を脈動させる装置である。
本発明において「燃料ガスの圧力を脈動させる」とは、燃料ガスの圧力を一定の幅で周期的に増圧及び減圧させることを意味する。脈動の周期としては、燃料電池集合体の規模によっても異なるが、おおよそ１〜１０Ｈｚの範囲内である。
本発明に使用される燃料ガス圧力調整装置は、燃料ガス供給装置そのものであってもよいし、燃料ガス供給装置に付属した装置であってもよいし、燃料ガス供給装置とは異なる装置であってもよい。燃料ガス圧力調整装置の具体例としては、インジェクタ等が挙げられる。
本発明に使用される燃料ガスは、燃料電池に通常使用されるものであれば特に限定されず、例えば水素ガス等が挙げられる。
【００３１】
燃料電池システムは、上記図３に示すような燃料ガス圧力の脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を、予めマップとして保有しているのが好ましい。この場合のマップは、燃料電池セルの構造によって異なるものであり、また、電流や温度等の作動条件によって逐一変化するものである。
燃料ガス圧力の脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を示すマップは、記憶手段に予め格納されていてもよい。この場合には、燃料電池の運転環境によって最適なマップを記憶手段から選び出すことができる。
なお、記憶手段は、後述する制御の各工程からフィードバックされた最適と考えられる脈動幅を、新たにマップとして読み込むものであってもよい。このようにマップを逐一更新することにより、燃料電池の経時変化データを取得できる。
マップを格納する記憶手段の具体例としては、メモリ等の半導体記憶装置や、ハードディスク等の磁気記憶装置等が挙げられる。
【００３２】
燃料電池システムは、基本的に上記マップに従い、マップ上の最適な燃料ガス圧力の脈動幅を選択しながら運転される。しかし、燃料電池システムを車に搭載するなど、燃料電池システムを実用に供する場合（いわゆるＯＮボードの場合）には、燃料電池セル及び／又は燃料電池集合体の抵抗値の上昇が検知された際に、マップとは独立した制御方法に基づき、燃料ガス圧力の脈動幅を最適化することが望ましい。これは、車に搭載された燃料電池システムについて、道路状況等の環境変化に合わせて、後述する制御方法により臨機応変に脈動幅を調整することにより、燃料電池のより効率のよい運転が可能となるためである。
燃料電池セル及び／又は燃料電池集合体の抵抗値が十分に下がり、通常運転に戻った場合には、本発明による制御を終了し、再度マップを呼び出して燃料ガス圧力の脈動幅を選択しつつ、燃料電池システムの運転を続行してもよい。
【００３３】
上述した燃料電池システムを用いた制御の概要について、図４を用いながら説明する。図４は、本発明の制御方法における、燃料ガス圧力、燃料ガス圧力の脈動幅、抵抗の時間変化率、及び抵抗の各時間変化を模式的に表した４つのグラフを並べて示したものである。図４の上のグラフから、燃料ガス圧力の時間変化を示すグラフ、燃料ガス圧力の脈動幅の時間変化を示すグラフ、抵抗の時間変化率と時間との関係を示すグラフ、及び抵抗と時間との関係を示すグラフである。
図４においては、燃料ガス圧力及びその脈動幅はいわば燃料電池システムに対する入力であるのに対し、抵抗及びその時間変化率は燃料電池システムの出力に相当する。
【００３４】
図４において、時間０からｔ１までは、燃料ガス圧力の脈動幅を初期値ΔＰ０として燃料電池集合体を運転する。初期値ΔＰ０は、上述したようにマップに適合する値である。しかし図４においては、燃料電池セルの抵抗値Ｒ１が所望の抵抗値Ｒ０よりも高い。したがって、抵抗値を低減させるため、マップとは独立に脈動幅を調整する制御を行う。
時間ｔ１において、燃料ガス圧力の脈動幅を初期値ΔＰ０よりも少し増やす。このように、燃料ガス圧力の脈動幅を増やすことにより、燃料ガスの瞬間ストイキ比を上げることができる。その結果、時間ｔ１よりも前の状態と比較して、燃料ガス流路全体に燃料ガスを行き渡らせることができ、その結果燃料ガス流路が若干湿潤する。その湿潤状態の指標となるのが抵抗値Ｒである。燃料ガス圧力の脈動幅を増やした時間ｔ１において、抵抗値は下がり始めるが、時間経過とともに一定となり、目的とする抵抗値Ｒ０を下回るまでには至らない。
【００３５】
そこで、時間ｔ２において燃料ガス圧力の脈動幅をより増やすことにより、燃料ガスの瞬間ストイキ比をさらに上げる。その結果、時間ｔ２よりも前の状態と比較して、燃料ガス流路全体に燃料ガスをさらに供給でき、その結果燃料ガス流路が十分湿潤する。燃料ガス流路の湿潤状態については引き続き抵抗値より確認できる。燃料ガス圧力の脈動幅を増やした時間ｔ２において、抵抗値はさらに下がり始め、一定の時間が経過した後、抵抗値はＲ０未満となる。この結果から、時間ｔ２において燃料ガス圧力の脈動幅を一定以上増やしたことが、燃料ガス流路の乾燥状態の是正に効果的であることが分かる。
このように抵抗値が目的とするＲ０未満となった以降は、燃料ガス圧力の脈動幅をマップに沿って制御し、燃料電池システムの運転を続行する。
【００３６】
燃料ガス流路の湿潤状態は、抵抗の時間変化率（ｄＲ／ｄｔ）からも推測が可能である。燃料ガス圧力の脈動幅を増やした時間ｔ１から一定の時間、抵抗の時間変化率は０未満となる。抵抗値は時間経過とともに一定となるため、抵抗の時間変化率は０に戻る。
燃料ガス圧力の脈動幅を増やした際、抵抗の時間変化率が所定の値α０未満となった場合に、抵抗そのものが十分減ったと判断することもできる。例えば、図４より、時間ｔ１において燃料ガス圧力の脈動幅を増やした際には、抵抗の時間変化率が所定の値α０を超えているため、抵抗の低減が未だ不十分であると判断できる。一方、燃料ガス圧力の脈動幅をより増やした時間ｔ２から一定の時間、抵抗の時間変化率は所定の値α０未満となる。この結果から、時間ｔ２において燃料ガス圧力の脈動幅を増やしたことにより、抵抗が十分に下がったと判断してもよい。
【００３７】
燃料ガス圧力の脈動幅の初期値ΔＰ０は、所定の温度下及び電流密度下における、図３に示したような燃料ガス圧力脈動幅とセル電圧との関係をまとめてマップ化しておき、制御定数として用いることが好ましい。また、初期値ΔＰ０は燃料電池セルの構造によっても異なるため、燃料電池セルの構造ごとにマップ化することがより好ましい。
【００３８】
図５は、本発明の制御方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。以下、図２及び図５を用いて、当該第１の実施形態について説明する。
まず、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔＰ０として燃料電池集合体を運転する（Ｓ１）。次に、運転中、抵抗測定装置により燃料電池セル及び／又は燃料電池集合体の抵抗値Ｒ１（第１の抵抗値）を測定する（Ｓ２、Ｓ３）。抵抗値Ｒ１が基準値Ｒ０以下の場合には、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。一方、抵抗値Ｒ１が基準値Ｒ０よりも高い場合には、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、ΔＰ０よりも大きいΔＰ１に増やし（Ｓ４）、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。
燃料ガス圧力の脈動幅の増加回数は、図４に示したように２回としてもよいし、それ以上でもよい。
【００３９】
図６は、本発明の制御方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。以下、図２及び図６を用いて、当該第２の実施形態について説明する。なお、第２〜第５の実施形態においては、燃料電池システムが、上記抵抗変化率測定装置をさらに備えるものとする。
Ｓ１１〜Ｓ１４までは、上述した第１の実施形態のＳ１〜Ｓ４と同様である。ただし、第２の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ１に増やした後（Ｓ１４）、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を測定する（Ｓ１５）。以下、脈動幅を増加させた後に測定する抵抗変化率を、脈動幅増大後の抵抗変化率と称する場合がある。
脈動幅増大後の抵抗変化率が所定の基準値α０（＜０）未満の場合には（Ｓ１６）、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し（Ｓ１７）、制御を終了する。一方、脈動幅増大後の抵抗変化率が基準値α０以上かつ０未満の場合には（Ｓ１８）、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ２（＞ΔＰ１）にさらに増やし（Ｓ１９）、制御を終了する。脈動幅増大後の抵抗変化率が０以上の場合には、燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ０よりも小さいΔＰ３とし（Ｓ２０）、制御を終了する。
【００４０】
図７は、本発明の制御方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。以下、図２及び図７を用いて、当該第３の実施形態について説明する。なお、図７中の三点リーダは、フローチャートの省略を意味する。
Ｓ３１〜Ｓ４０までは、上述した第２の実施形態のＳ１１〜Ｓ２０と同様である。ただし、第３の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した後（Ｓ３７）、抵抗測定装置により燃料電池セル及び／又は燃料電池集合体の抵抗値Ｒ２（第２の抵抗値）を測定する（Ｓ４１）。抵抗値Ｒ２が基準値Ｒ０以下の場合には、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。一方、抵抗値Ｒ２が基準値Ｒ０よりも高い場合には、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し（Ｓ３５）、当該抵抗変化率と基準値α０とを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する（Ｓ３６〜Ｓ４０）。
【００４１】
なお、第３の実施形態において、燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ２（＞ΔＰ１）に増やした場合には（Ｓ３９）、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し（Ｓ３５’）、当該抵抗変化率と基準値α０とを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する（Ｓ３６’）。Ｓ３５’及びＳ３６’は、Ｓ３５及びＳ３６に対応する。また、三点リーダに示す省略部分においては、Ｓ３７〜Ｓ４２と同様のＳ３７’〜Ｓ４２’を行う。このように、燃料ガス圧力の脈動幅を増やした後、抵抗変化率を測定し、さらに当該抵抗変化率と基準値α０とを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を決定することを繰り返し行うこともできる。
【００４２】
図８は、本発明の制御方法の第４の実施形態の一部（第４の実施形態の後半）を示すフローチャートである。なお、第４の実施形態の前半は、上記第２及び第３の実施形態と同様である。第２の実施形態のＳ２０、及び第３の実施形態のＳ４０が、第４の実施形態のＳ５０に対応する。以下、図２及び図８を用いて、当該第４の実施形態の後半について説明する。
第４の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ１からΔＰ３に減らした後（Ｓ５０）、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を測定する（Ｓ５１）。以下、脈動幅を減らした後に測定する抵抗変化率を、脈動幅減少後の抵抗変化率と称する場合がある。
脈動幅減少後の抵抗変化率が基準値α０（＜０）未満の場合には（Ｓ５２）、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し（Ｓ５３）、制御を終了する。一方、脈動幅減少後の抵抗変化率が基準値α０以上かつ０未満の場合には（Ｓ５４）、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ４（＜ΔＰ３）にさらに減らし（Ｓ５５）、制御を終了する。脈動幅増大後の抵抗変化率が０以上の場合には、抵抗が減らない原因が少なくとも脈動幅にはないと考えられるため、そのまま制御を終了する。
【００４３】
図９は、本発明の制御方法の第５の実施形態の一部（第５の実施形態の後半）を示すフローチャートである。なお、第５の実施形態の前半は、上記第２及び第３の実施形態と同様である。第２の実施形態のＳ２０、及び第３の実施形態のＳ４０が、第５の実施形態のＳ６０に対応する。以下、図２及び図９を用いて、当該第５の実施形態の後半について説明する。なお、図９中の三点リーダは、フローチャートの省略を意味する。
Ｓ６０〜Ｓ６５までは、上述した第４の実施形態のＳ５０〜Ｓ５５と同様である。ただし、第５の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した後（Ｓ６３）、抵抗測定装置により燃料電池セル及び／又は燃料電池集合体の抵抗値Ｒ３（第３の抵抗値）を測定する（Ｓ６６）。抵抗値Ｒ３が基準値Ｒ０以下の場合には、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。一方、抵抗値Ｒ３が基準値Ｒ０よりも高い場合には、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し（Ｓ６１）、当該抵抗変化率と基準値α０とを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する（Ｓ６２〜Ｓ６５）。
【００４４】
なお、第５の実施形態において、燃料ガス圧力の脈動幅をΔＰ４（＜ΔＰ３）に減らした場合には（Ｓ６５）、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し（Ｓ６１’）、当該抵抗変化率と基準値α０とを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する（Ｓ６２’）。Ｓ６１’及びＳ６２’は、Ｓ６１及びＳ６２に対応する。また、三点リーダに示す省略部分においては、Ｓ６３〜Ｓ６７と同様のＳ６３’〜Ｓ６７’を行う。このように、燃料ガス圧力の脈動幅を減らした後、抵抗変化率を測定し、さらに当該抵抗変化率と基準値α０とを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を決定することを繰り返し行うこともできる。
なお、本発明の制御方法は、必ずしも上記第１〜第５の実施形態のみに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４５】
１  高分子電解質膜
２  カソード触媒層
３  アノード触媒層
４，５  ガス拡散層
６  カソード電極
７  アノード電極
８  膜・電極接合体
９，１０  セパレータ
１１  酸化剤ガス流路
１２  燃料ガス流路
２１  抵抗測定装置
１００  燃料電池の単セル
【図１】
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【図２】
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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】
2015204253.tif 000009
【図９】
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【図３】
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