(57)【要約】【課題】燃料電池システムの運転時において、燃料電池に設けられた金属セパレータの腐食を効果的に抑制する。【解決手段】固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池２と、燃料電池２に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路３１と、燃料電池２から排出された水分を回収する気液分離器３５と、を備える燃料電池システム１であって、気液分離器３５で回収した水分を反応ガス供給流路３１に導入するための水分供給流路３６と、気液分離器３５で回収した水分内の不純物イオンを除去するように水分供給流路３６に設けられたイオン交換器３８と、を備える。【選択図】図１
2008282737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、前記燃料電池から排出された水分を回収する気液分離器と、を備える燃料電池システムであって、
前記気液分離器で回収した水分を前記反応ガス供給流路に導入するための水分供給流路と、
前記気液分離器で回収した水分内の不純物イオンを除去するように水分供給流路に設けられたイオン交換器と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離器で回収した水分を前記反応ガス供給流路に導入するように前記水分供給流路に設けられた水ポンプと、
前記金属セパレータの電位を検出する電位センサと、
前記燃料電池の発電時に前記水ポンプを制御して前記反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、前記電位センサで検出される電位を前記金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に設定する制御手段と、を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応ガス供給流路は、カソードガス供給流路であり、
前記気液分離器は、カソードオフガスに含まれる水分を回収するものであり、
前記電位センサは、カソード側の前記金属セパレータの電位を検出するものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応ガス供給流路は、アノードガス供給流路であり、
前記気液分離器は、アノードオフガスに含まれる水分を回収するものであり、
前記電位センサは、アノード側の前記金属セパレータの電位を検出するものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応ガス供給流路は、カソードガス供給流路及びアノードガス供給流路であり、
前記気液分離器は、カソードオフガス及びアノードオフガスに含まれる水分を回収するものであり、
前記電位センサは、カソード側及びアノード側の前記金属セパレータの電位を検出するものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記気液分離器で回収した水分を前記反応ガス供給流路に導入するように前記水分供給流路に設けられた水ポンプと、
前記気液分離器で回収した水分のｐＨを検出するｐＨセンサと、
前記金属セパレータの電位と前記気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを有し、前記燃料電池の発電時に前記データを用いて前記水ポンプを制御して前記反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、前記金属セパレータの電位を前記金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に設定するように前記ｐＨセンサで検出されるｐＨを特定ｐＨ領域内に設定する制御手段と、を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記反応ガス供給流路は、カソードガス供給流路であり、
前記気液分離器は、カソードオフガスに含まれる水分を回収するものであり、
前記制御手段は、カソード側の前記金属セパレータの電位と前記気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを有し、カソード側の前記金属セパレータの電位を前記特定電位領域内に設定するように前記データを用いて前記水ポンプを制御するものである、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記反応ガス供給流路は、アノードガス供給流路であり、
前記気液分離器は、アノードオフガスに含まれる水分を回収するものであり、
前記制御手段は、アノード側の前記金属セパレータの電位と前記気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを有し、アノード側の前記金属セパレータの電位を前記特定電位領域内に設定するように前記データを用いて前記水ポンプを制御するものである、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記反応ガス供給流路は、カソードガス供給流路及びアノードガス供給流路であり、
前記気液分離器は、カソードオフガス及びアノードオフガスに含まれる水分を回収するものであり、
前記制御手段は、カソード側及びアノード側の前記金属セパレータの電位と前記気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを有し、カソード側及びアノード側の前記金属セパレータの電位を前記特定電位領域内に設定するように前記データを用いて前記水ポンプを制御するものである、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止時に、前記燃料電池の発電時よりも多量の水分を前記燃料電池に供給するように前記水ポンプを制御するものである、
請求項２から９の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、前記燃料電池から排出された水分を回収する気液分離器と、前記気液分離器で回収した水分を前記反応ガス供給流路に導入するための水分供給流路と、前記水分供給流路に設けられたイオン交換器及び水ポンプと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電時に、前記水ポンプを制御して前記反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、前記金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に前記金属セパレータの電位を設定する電位制御工程を備える、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、前記燃料電池から排出された水分を回収する気液分離器と、前記気液分離器で回収した水分を前記反応ガス供給流路に導入するための水分供給流路と、前記水分供給流路に設けられたイオン交換器及び水ポンプと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電時に、前記金属セパレータの電位と前記気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを用いて前記水ポンプを制御して前記反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、前記金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に前記金属セパレータの電位を設定するように前記気液分離器で回収した水分のｐＨを特定ｐＨ領域内に設定するｐＨ調整工程を備える、
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、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層が配置された膜・電極接合体と、膜・電極接合体を両側から挟持するセパレータと、を有するものが採用されている。現在においては、このような燃料電池のセパレータとして、ステンレス鋼等の金属で製作されたセパレータが採用されている。
【０００３】
ところで、燃料電池内に残存した生成水や加湿用に供給された水分は、次第に蒸発して酸性イオン濃度が高くなり、腐食作用の強い液体に変化する。このように燃料電池内に腐食作用の強い液体が存在すると、金属製セパレータが腐食してしまうおそれがある。  このため、近年においては、生成水の酸性イオン濃度を低減させる目的で、アノードオフガスの循環流路に不純物除去部材を設ける技術が提案されている（特許文献１参照）。また、金属製セパレータの腐食を防止する目的で、システム停止時（燃料電池の発電停止時）に燃料電池内の反応ガス流路を水で満たすことにより、腐食作用の強い液体の発生を抑制する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−４９１００号公報
【特許文献２】特開２００５−１２３００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記した特許文献１に記載された技術においては、燃料電池から排出された水分の酸性イオン濃度を低減させることは可能であるが、燃料電池内に残存した水分の酸性イオン濃度を低減させることはできなかった。
【０００５】
また、前記した特許文献２に記載された技術は、燃料電池内の反応ガス流路を水で満たすものであるため、システム運転時（燃料電池の発電時）には適用できず、従って、システム運転時における金属セパレータの腐食を抑制することができないという問題があった。また、前記した特許文献２に記載された技術を採用すると、氷点下において燃料電池内の水が凍結することに起因して種々の不具合が生じるおそれがあるとともに、燃料電池内の反応ガス流路を満たすだけの比較的多量の水を補給しなければならないために余分な設備が必要となるという問題が新たに発生する。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの運転時において、燃料電池に設けられた金属セパレータの腐食を効果的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、燃料電池から排出された水分を回収する気液分離器と、を備える燃料電池システムであって、気液分離器で回収した水分を反応ガス供給流路に導入するための水分供給流路と、気液分離器で回収した水分内の不純物イオンを除去するように水分供給流路に設けられたイオン交換器と、を備えるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、気液分離器で回収した水分を、イオン交換器で不純物イオンを除去して略中性とした状態で、水分供給流路を経由させて反応ガス供給流路に導入することができる。従って、システム運転時（燃料電池の発電時）に、略中性の水分を含む反応ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池内に残存した水分の酸性イオン濃度を低減させることができる。この結果、システム運転時における燃料電池内の金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。なお、反応ガス供給流路としては、カソードガス供給流路やアノードガス供給流路を採用することができる。また、気液分離器としては、カソードオフガスに含まれる水分を回収するものや、アノードオフガスに含まれる水分を回収するものを採用することができる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、気液分離器で回収した水分を反応ガス供給流路に導入するように水分供給流路に設けられた水ポンプと、金属セパレータの電位を検出する電位センサと、を採用することができる。かかる場合に、燃料電池の発電時に水ポンプを制御して反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、電位センサで検出される電位を金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に設定する制御手段を採用することができる。
【００１０】
かかる構成を採用すると、システム運転時（燃料電池の発電時）に、反応ガス供給流路に導入する水分の量（反応ガスに含ませる水分の量）を調整することにより、金属セパレータの電位を特定電位領域（金属セパレータの腐食が抑制される電位領域）内に設定することができる。すなわち、金属セパレータの電位制御を自動的に実現させて、システム運転時における燃料電池内の金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。なお、電位センサとしては、カソード側の金属セパレータの電位を検出するものや、アノード側の金属セパレータの電位を検出するものを採用することができる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、気液分離器で回収した水分を反応ガス供給流路に導入するように水分供給流路に設けられた水ポンプと、気液分離器で回収した水分のｐＨを検出するｐＨセンサと、を備えることができる。かかる場合に、金属セパレータの電位と気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを有し、燃料電池の発電時に前記データを用いて水ポンプを制御して反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、金属セパレータの電位を金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に設定するようにｐＨセンサで検出されるｐＨを特定ｐＨ領域内に設定する制御手段を採用することができる。
【００１２】
かかる構成を採用すると、システム運転時に、特定のデータを用いて、反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、金属セパレータの電位を特定電位領域（金属セパレータの腐食が抑制される電位領域）内に設定するような特定ｐＨ領域内に気液分離器で回収した水分のｐＨを調整することができる。すなわち、気液分離器で回収した水分のｐＨを調整することにより、間接的に金属セパレータの電位制御を実現させて、システム運転時における燃料電池内の金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。なお、制御手段としては、カソード側の金属セパレータの電位を特定電位領域内に設定するようにｐＨ調整を行うものや、アノード側の金属セパレータの電位を特定電位領域内に設定するようにｐＨ調整を行うものを採用することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電停止時に、燃料電池の発電時よりも多量の水分を燃料電池に供給するように水ポンプを制御する制御手段を採用することができる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、システム停止時（燃料電池の発電停止時）において、システム運転時（燃料電池の発電時）よりも多量の水分を燃料電池に供給することができる。従って、システム停止時においても、燃料電池内の金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムの第１の制御方法は、固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、燃料電池から排出された水分を回収する気液分離器と、気液分離器で回収した水分を反応ガス供給流路に導入するための水分供給流路と、水分供給流路に設けられたイオン交換器及び水ポンプと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発電時に、水ポンプを制御して反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に金属セパレータの電位を設定する電位制御工程を備えるものである。
【００１６】
かかる方法を採用すると、気液分離器で回収した水分を、イオン交換器で不純物イオンを除去して略中性とした状態で、水分供給流路を経由させて反応ガス供給流路に導入することができる。従って、略中性の水分を含む反応ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池内に残存した水分の酸性イオン濃度を低減させることができる。しかも、反応ガス供給流路に導入する水分の量（反応ガスに含ませる水分の量）を調整することにより、金属セパレータの電位を特定電位領域（金属セパレータの腐食が抑制される電位領域）内におさめることができる。従って、システム運転時における燃料電池内の金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムの第２の制御方法は、固体高分子電解質膜の両側に電極が配置されてなる膜・電極接合体を両側から挟持する金属セパレータを有する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給流路と、燃料電池から排出された水分を回収する気液分離器と、気液分離器で回収した水分を反応ガス供給流路に導入するための水分供給流路と、水分供給流路に設けられたイオン交換器及び水ポンプと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発電時に、金属セパレータの電位と気液分離器で回収した水分のｐＨとの相関関係を規定するデータを用いて水ポンプを制御して反応ガス供給流路に導入する水分の量を調整することにより、金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域内に金属セパレータの電位を設定するように気液分離器で回収した水分のｐＨを特定ｐＨ領域内に設定するｐＨ調整工程を備えるものである。
【００１８】
かかる方法を採用すると、気液分離器で回収した水分を、イオン交換器で不純物イオンを除去して略中性とした状態で、水分供給流路を経由させて反応ガス供給流路に導入することができる。従って、略中性の水分を含む反応ガスを燃料電池に供給することができ、燃料電池内に残存した水分の酸性イオン濃度を低減させることができる。しかも、反応ガス供給流路に導入する水分の量（反応ガスに含ませる水分の量）を調整することにより、金属セパレータの電位を特定電位領域（金属セパレータの腐食が抑制される電位領域）内に設定するような特定ｐＨ領域内に気液分離器で回収した水分のｐＨを調整することができる。従って、システム運転時における燃料電池内の金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池システムの運転時において、燃料電池に設けられた金属セパレータの腐食を効果的に抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２１】
＜第１実施形態＞
最初に、図１〜図４を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。
【００２２】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システム全体を統括制御する制御装置５等を備える。
【００２３】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層した構造の燃料電池スタックを有する。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対の金属セパレータを有している。一方の金属セパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方の金属セパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。本実施形態においては、ステンレス鋼で製作された金属セパレータを採用している。
【００２４】
燃料電池２は、燃料電池スタックの両端に位置する単電池の外側に、順次、カバープレート、出力端子付きのターミナルプレート及び絶縁プレートを積層し、その外側にエンドプレートを配置して構成されている。燃料電池スタックの一端側のエンドプレートには、燃料電池スタック内に各種流体（酸化ガス、燃料ガス、冷媒）を供給する流体配管の接続部と、燃料電池スタック内を通過した各種流体を外部に排出する流体配管の接続部と、が設けられている。
【００２５】
また、燃料電池２には、カソード側の金属セパレータの電位を検出するカソード側電位センサ２ａと、アノード側の金属セパレータの電位を検出するアノード側電位センサ２ｂと、が設けられている。これらカソード側電位センサ２ａ及びアノード側電位センサ２ｂで検出された電位に係る情報は、制御装置５に伝送されて、後述する金属セパレータの電位制御に用いられる。
【００２６】
燃料電池２への酸化ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。また、図示されていない冷媒配管系により燃料電池２への冷媒の供給がなされる。固体高分子電解質型の燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であるが、冷媒の供給により、燃料電池２の温度は所定の温度範囲（例えば約６０〜７０℃）に保たれる。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。また、燃料電池２から排出される酸化ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸化ガスとして空気（酸素）を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
【００２７】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路３１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路３２と、を有している。空気供給流路３１は、本発明におけるカソードガス供給流路及び反応ガス供給流路の一実施形態に相当する。空気供給流路３１には、図示されていないモータの駆動によりフィルタ３３を介して大気中の酸化ガスを取り込むコンプレッサ３４が設けられている。排気流路３２には、カソード側気液分離器３５を介して、カソード側水分供給流路３６が接続されている。排気流路３２を流れる酸化オフガスは、カソード側気液分離器３５により水分が除去された後、図示されていない希釈器において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２８】
排気流路３２に設けられたカソード側気液分離器３５は、酸化オフガスから水分を回収するものである。カソード側水分供給流路３６は、カソード側気液分離器３５と空気供給流路３１とを連通接続する流路である。カソード側水分供給流路３６には、カソード側水ポンプ３７と、カソード側イオン交換器３８と、が設けられている。カソード側水ポンプ３７は、制御装置５の制御の下に作動して、カソード側気液分離器３５で回収した水分を空気供給流路３１に導入するものである。カソード側イオン交換器３８は、カソード側気液分離器３５で回収した水分内の不純物イオンを除去することにより、空気供給流路３１に供給される水分を略中性にするものである。
【００２９】
燃料ガス配管系４は、水素供給源４１と、水素供給源４１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路４２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路４２の合流点Ａに戻すための循環流路４３と、循環流路４３内の水素オフガスを水素供給流路４２に圧送する水素ポンプ４４と、循環流路４３にアノード側気液分離器４５を介して接続されたアノード側水分供給流路４６と、を有している。
【００３０】
水素供給源４１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、所定圧力（例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留可能に構成される。後述する遮断弁４２ａを開くと、水素供給源４１から水素供給流路４２に水素ガスが流出する。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源４１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源４１として採用することもできる。
【００３１】
水素供給流路４２には、水素供給源４１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁４２ａと、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４２ｂと、が設けられている。レギュレータ４２ｂは、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する減圧弁である。水素供給流路４２は、本発明におけるアノードガス供給流路及び反応ガス供給流路の一実施形態に相当する。
【００３２】
循環流路４３は、水素オフガスを水素供給流路４２に戻すための戻り配管である。水素ポンプ４４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。このように、水素供給流路４２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路４３と、によって水素ガスの循環系が構成される。循環系内を流れる流体には、水素オフガスのみならず、水素オフガスに比べると微量ではあるが、水分（生成水）、電解質膜を介して透過してきた窒素ガス、及び配管内のコンタミが含まれる。
【００３３】
循環流路４３に設けられたアノード側気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収するものである。アノード側水分供給流路４６は、アノード側気液分離器４５と水素供給流路４２とを連通接続する流路である。アノード側水分供給流路４６には、アノード側水ポンプ４７と、アノード側イオン交換器４８と、が設けられている。アノード側水ポンプ４７は、制御装置５の制御の下に作動して、アノード側気液分離器４５で回収した水分を水素供給流路４２に導入するものである。アノード側イオン交換器４８は、アノード側気液分離器４５で回収した水分内の不純物イオンを除去することにより、水素供給流路４２に供給される水分を略中性にするものである。
【００３４】
制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の制御を行う。
【００３５】
具体的には、制御装置５は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセルペダル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３４や水素ポンプ４４の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む。
【００３６】
また、制御装置５は、燃料電池２の発電時にカソード側水ポンプ３７を制御して空気供給流路３１に導入する水分の量を調整することにより、カソード側電位センサ２ａで検出される電位を特定電位領域内に設定する。また、制御装置５は、燃料電池２の発電時にアノード側水ポンプ４７を制御して水素供給流路４２に導入する水分の量を調整することにより、アノード側電位センサ２ｂで検出される電位を特定電位領域内に設定する。すなわち、制御装置５は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。
【００３７】
ここで、「特定電位領域」とは、金属セパレータの腐食を抑制するような電位領域を意味する。本実施形態における金属セパレータは、ステンレス鋼で製作されているため、図２に示すような分極特性を示す。すなわち、金属セパレータの酸化電流が所定の値Ａ０を超えるような電位領域においては、金属セパレータの金属イオンの溶出が大きくなり、腐食が進行する。このため、本実施形態においては、金属セパレータの酸化電流がＡ０未満となるような電位領域の一部を特定電位領域として採用する。具体的には、図２における [ＶＬＣ〜ＶＨＣ]（不働態域）をカソード側の特定電位領域として採用するとともに、図２における[ＶＬＡ〜ＶＨＡ]（不活態域）をアノード側の特定電位領域として採用している。
【００３８】
なお、燃料電池２内の水分のｐＨとカソード側金属セパレータの電位との関係を、図３に示した。図３に示されるように、燃料電池２内の水分のｐＨが小さくなる（酸性に近づく）とカソード側金属セパレータの電位は高くなり、燃料電池２内の水分のｐＨが大きくなる（アルカリ性に近づく）とカソード側金属セパレータの電位は低くなる。従って、制御装置５は、カソード側金属セパレータの電位が特定電位領域の下限値（ＶＬＣ）よりも低い場合には、燃料電池２内の水分がアルカリ性に近づいているものと判断して、空気供給流路３１に導入する水分の量を低減させるようにカソード側水ポンプ３７を制御する。一方、制御装置５は、カソード側金属セパレータの電位が特定電位領域の上限値（ＶＨＣ）よりも高い場合には、燃料電池２内の水分が酸性に近づいているものと判断して、空気供給流路３１に導入する水分の量を増加させるようにカソード側水ポンプ３７を制御する。アノード側についても同様に制御することができる。
【００３９】
また、制御装置５は、システム停止時（燃料電池２の発電停止時）に、システム運転時（燃料電池２の発電時）よりも多量の水分を燃料電池２に供給するように、カソード側水ポンプ３７及びアノード側水ポンプ４７を制御する。これにより、システム停止時において、燃料電池２内のカソード側（アノード側）金属セパレータの腐食を一層効果的に抑制することができる。
【００４０】
次に、図４のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。本実施形態においては、燃料電池２を構成するカソード側金属セパレータの腐食を抑制する目的で、カソード側金属セパレータの電位を制御する方法について説明することとする。なお、アノード側金属セパレータの電位制御方法は、以下に説明する電位制御方法と実質的に同一であるので、説明を省略する。
【００４１】
まず、制御装置５は、燃料電池２の発電時に、カソード側電位センサ２ａを用いて、カソード側金属セパレータの電位を検出する（電位検出工程：Ｓ１）。次いで、制御装置５は、電位検出工程Ｓ１で検出した電位が特定電位領域の下限値（ＶＬＣ）以上か否かを判定する（第１電位判定工程：Ｓ２）。そして、制御装置５は、第１電位判定工程Ｓ２において、検出電位が特定電位領域の下限値未満であると判定した場合に、燃料電池２内の水分がアルカリ性に近づいているものと判断し、カソード側水ポンプ３７の吐出量を標準値から所定量低減させるように制御して、空気供給流路３１に導入する水分の量を低減させる（供給水低減工程：Ｓ３）。供給水低減工程Ｓ３を経た後、制御装置５は、再び電位検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。
【００４２】
制御装置５は、第１電位判定工程Ｓ２において、検出電位が特定電位領域の下限値以上であると判定した場合に、電位検出工程Ｓ１で検出した電位が特定電位領域の上限値（ＶＨＣ）以下か否かを判定する（第２電位判定工程：Ｓ４）。そして、制御装置５は、第２電位判定工程Ｓ４において、検出電位が特定電位領域の上限値を超えるものと判定した場合に、燃料電池２内の水分が酸性に近づいているものと判断し、カソード側水ポンプ３７の吐出量を標準値から所定量増加させるように制御して、空気供給流路３１に導入する水分の量を増加させる（供給水増加工程：Ｓ５）。供給水増加工程Ｓ５を経た後、制御装置５は、再び電位検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。
【００４３】
制御装置５は、第２電位判定工程Ｓ４において、検出電位が特定電位領域の上限値以下であると判定した場合に、燃料電池２内の水分のｐＨが略中性となっているものと判断し、カソード側水ポンプ３７の吐出量を標準値のまま維持する（定常維持工程：Ｓ６）。定常維持工程Ｓ６を経た後、制御装置５は、再び電位検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。以上の工程群（電位検出工程Ｓ１〜定常維持工程Ｓ６）を繰り返すことにより、カソード側金属セパレータの腐食が抑制される特定電位領域[ＶＬＣ〜ＶＨＣ]内に、カソード側金属セパレータの電位が設定されることとなる。以上の工程群は、本発明における電位制御工程の一実施形態を構成するものである。
【００４４】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、カソード側気液分離器３５で回収した水分を、カソード側イオン交換器３８で不純物イオンを除去して略中性とした状態で、カソード側水分供給流路３６を経由させて空気供給流路３１に導入することができる。従って、略中性の水分を含む酸化ガスを燃料電池２に供給することができ、燃料電池２内に残存した水分の酸性イオン濃度を低減させることができる。しかも、空気供給流路３１に導入する水分の量（酸化ガスに含ませる水分の量）を調整することにより、カソード側金属セパレータの電位を特定電位領域内におさめることができる。この結果、システム運転時における燃料電池２内のカソード側金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。
【００４５】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、システム停止時（燃料電池２の発電停止時）に、システム運転時（燃料電池２の発電時）よりも多量の水分を燃料電池２に供給することができる。従って、システム停止時において、燃料電池２内のカソード側金属セパレータの腐食を一層効果的に抑制することができる。
【００４６】
＜第２実施形態＞
続いて、図５〜図７を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて説明する。
【００４７】
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１の電位センサ２ａ・２ｂに代えてｐＨセンサ３５ａ・４５ａを採用するとともに制御態様を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態に係る燃料電池システム１と実質的に同一である。従って、異なる構成を中心に説明し、重複する構成については第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略することとする。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、図５に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システム全体を統括制御する制御装置５Ａ等を備える。
【００４９】
酸化ガス配管系３の排気流路３２に設けられたカソード側気液分離器３５には、その内部に貯留した水分のｐＨを検出するカソード側ｐＨセンサ３５ａが設けられている。また、燃料ガス配管系４の循環流路４３に設けられたアノード側気液分離器４５には、その内部に貯留した水分のｐＨを検出するアノード側ｐＨセンサ４５ａが設けられている。これらカソード側ｐＨセンサ３５ａ及びアノード側ｐＨセンサ４５ａで検出されたｐＨに係る情報は、制御装置５Ａに伝送されて、後述するｐＨ調整に用いられる。
【００５０】
制御装置５Ａは、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の制御を行う。
【００５１】
具体的には、制御装置５Ａは、燃料電池２の発電時にカソード側水ポンプ３７を制御して空気供給流路３１に導入する水分の量を調整することにより、カソード側金属セパレータの電位を特定電位領域内に設定するようにカソード側ｐＨセンサ３５ａで検出されるｐＨを特定ｐＨ領域内に設定する。また、制御装置５Ａは、燃料電池２の発電時にアノード側水ポンプ４７を制御して水素供給流路４２に導入する水分の量を調整することにより、アノード側金属セパレータの電位を特定電位領域内に設定するようにアノード側ｐＨセンサ４５ａで検出されるｐＨを特定ｐＨ領域内に設定する。すなわち、制御装置５Ａは、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。
【００５２】
ここで、「特定電位領域」とは、第１実施形態で説明したように、金属セパレータの腐食を抑制するような電位領域を意味する。また、「特定ｐＨ領域」とは、特定電位領域に対応するｐＨ領域を意味する。本実施形態においては、図６に示すようなマップデータを用いて、特定電位領域と特定ｐＨ領域との関係を規定することとしている。図６に示すとおり、特定電位領域の上限値ＶＨＣには特定ｐＨ領域の下限値ＰＬＣが対応し、特定電位領域の下限値ＶＬＣには特定ｐＨ領域の上限値ＰＨＣが対応している。カソード側ｐＨセンサ３５ａで検出されるｐＨを特定ｐＨ領域[ＰＬＣ〜ＰＨＣ]内に設定することにより、カソード側金属セパレータの電位を特定電位領域[ＶＬＣ〜ＶＨＣ]内に設定することができる。アノード側についても同様に、ｐＨ調整による電位制御を行うことができる。
【００５３】
次に、図７のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの制御方法について説明する。本実施形態においては、燃料電池２を構成するカソード側金属セパレータの腐食を抑制する目的で、カソード側の水分のｐＨを調整することにより間接的に金属セパレータの電位を制御する方法について説明することとする。なお、アノード側金属セパレータの電位制御方法は、以下に説明する電位制御方法と実質的に同一であるので、説明を省略する。
【００５４】
まず、制御装置５Ａは、燃料電池２の発電時に、カソード側ｐＨセンサ３５ａを用いて、カソード側気液分離器３５の内部に貯留した水分のｐＨを検出する（ｐＨ検出工程：Ｓ１１）。次いで、制御装置５Ａは、ｐＨ検出工程Ｓ１１で検出したｐＨが特定ｐＨ領域の下限値（ＰＬＣ）以上か否かを判定する（第１ｐＨ判定工程：Ｓ１２）。そして、制御装置５Ａは、第１ｐＨ判定工程Ｓ１２において、検出ｐＨが特定ｐＨ領域の下限値未満であると判定した場合に、燃料電池２内の水分が酸性に近づいているものと判断し、カソード側水ポンプ３７の吐出量を標準値から所定量増加させるように制御して、空気供給流路３１に導入する水分の量を低減させる（供給水増加工程：Ｓ１３）。供給水増加工程Ｓ１３を経た後、制御装置５Ａは、再びｐＨ検出工程Ｓ１１に戻って制御を続行する。
【００５５】
制御装置５Ａは、第１ｐＨ判定工程Ｓ１２において、検出ｐＨが特定ｐＨ領域の下限値以上であると判定した場合に、ｐＨ検出工程Ｓ１１で検出した電位が特定ｐＨ領域の上限値（ＰＨＣ）以下か否かを判定する（第２ｐＨ判定工程：Ｓ１４）。そして、制御装置５Ａは、第２ｐＨ判定工程Ｓ１４において、検出ｐＨが特定ｐＨ領域の上限値を超えるものと判定した場合に、燃料電池２内の水分がアルカリ性に近づいているものと判断し、カソード側水ポンプ３７の吐出量を標準値から所定量低減させるように制御して、空気供給流路３１に導入する水分の量を低減させる（供給水低減工程：Ｓ１５）。供給水低減工程Ｓ１５を経た後、制御装置５Ａは、再びｐＨ検出工程Ｓ１１に戻って制御を続行する。
【００５６】
制御装置５Ａは、第２ｐＨ判定工程Ｓ１４において、検出ｐＨが特定ｐＨ領域の上限値以下であると判定した場合に、燃料電池２内の水分のｐＨが略中性となっているものと判断し、カソード側水ポンプ３７の吐出量を標準値のまま維持する（定常維持工程：Ｓ１６）。定常維持工程Ｓ１６を経た後、制御装置５Ａは、再びｐＨ検出工程Ｓ１１に戻って制御を続行する。以上の工程群（ｐＨ検出工程Ｓ１１〜定常維持工程Ｓ１６）を繰り返すことにより、カソード側気液分離器３５の内部に貯留した水分のｐＨが特定ｐＨ領域[ＰＬＣ〜ＰＨＣ]内に設定され、これにより、カソード側金属セパレータの電位が特定電位領域[ＶＬＣ〜ＶＨＣ]内に設定されることとなる。以上の工程群は、本発明におけるｐＨ調整工程の一実施形態を構成するものである。
【００５７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいては、カソード側気液分離器３５で回収した水分を、カソード側イオン交換器３８で不純物イオンを除去して略中性とした状態で、カソード側水分供給流路３６を経由させて空気供給流路３１に導入することができる。従って、略中性の水分を含む酸化ガスを燃料電池２に供給することができ、燃料電池２内に残存した水分の酸性イオン濃度を低減させることができる。しかも、空気供給流路３１に導入する水分の量（酸化ガスに含ませる水分の量）を調整することにより、カソード側金属セパレータの電位を特定電位領域内に設定するような特定ｐＨ領域内にカソード側気液分離器３５で回収した水分のｐＨを調整することができる。従って、システム運転時における燃料電池２内のカソード側金属セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。
【００５８】
なお、以上の各実施形態においては、カソード側金属セパレータの腐食を抑制する目的で、カソード側金属セパレータの電位を直接的又は間接的に制御した例を示したが、同様の方法でアノード側金属セパレータの電位を直接的又は間接的に制御することにより、アノード側金属セパレータの腐食を抑制することができる。また、カソード側金属セパレータ及びアノード側金属セパレータ双方の電位を直接的又は間接的に制御して、これら双方の金属セパレータの腐食を抑制することもできる。
【００５９】
また、以上の各実施形態においては、ステンレス鋼製の金属セパレータの腐食を抑制するための特定電位領域[ＶＬＣ〜ＶＨＣ]及び特定ｐＨ領域[ＰＬＣ〜ＰＨＣ]を設定した例を示したが、これら特定電位領域や特定ｐＨ領域の上限値及び下限値は、金属セパレータの材料に応じて適宜変更することができる。
【００６０】
また、第２実施形態においては、気液分離器で回収した水分のｐＨを調整することにより金属セパレータの電位を特定電位領域内に設定した例を示したが、ｐＨセンサを塩化物イオンセンサに置き換え、気液分離器で回収した水分の塩化物イオンを所定濃度以下に調整することにより、塩化物イオンに起因した金属セパレータの腐食を抑制することが可能となる。
【００６１】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（例えばロボット、船舶、航空機、電車等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（例えば住宅、ビル、工場等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの金属セパレータの分極特性を示す特性図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの燃料電池内の水分のｐＨとカソード側金属セパレータの電位との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの電位制御を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図６】図５に示す燃料電池システムのカソード側気液分離器内の水分のｐＨとカソード側金属セパレータの電位との関係を示すマップデータである。
【図７】図５に示す燃料電池システムのｐＨ調整を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６３】
１・１Ａ…燃料電池システム、２…燃料電池、２ａ…カソード側電位センサ、２ｂ…アノード側電位センサ、５・５Ａ…制御装置（制御手段）、３１…空気供給流路（カソードガス供給流路、反応ガス供給流路）、３５…カソード側気液分離器、３５ａ…カソード側ｐＨセンサ、３６…カソード側水分供給流路、３７…カソード側水ポンプ、３８…カソード側イオン交換器、４２…水素供給流路（アノードガス供給流路、反応ガス供給流路）、４５…アノード側気液分離器、４５ａ…アノード側ｐＨセンサ、４６…アノード側水分供給流路、４７…アノード側水ポンプ、４８…アノード側イオン交換器。
【図１】
2008282737.tif 000003
【図２】
2008282737.tif 000004
【図３】
2008282737.tif 000005
【図４】
2008282737.tif 000006
【図５】
2008282737.tif 000007
【図６】
2008282737.tif 000008
【図７】
2008282737.tif 000009