(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記燃料電池スタックの電圧である測定電圧を検出する電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
該測定電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
現在の電流値と前回の電流値とを比較する電流値比較手段と、
現在の電流値と前回の電流値とが等しい場合、現在の該測定電圧が前回の該測定電圧より大きければ、フラッディング信号を発するフラッディング告知手段と、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
各該単セル電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
現在の電流値と前回の電流値とを比較する電流値比較手段と、
現在の電流値が前回の電流値と等しい場合、現在の個々の該単セル電圧が前回の個々の該単セル電圧より大きければ、フラッディング信号を発するフラッディング告知手段と、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
各該単セル電圧を記憶する記憶手段と、
全ての該単セルの中で最も電圧が高い最高電圧単セルを抽出する抽出手段と、
該最高電圧単セルと他の該単セルとの現在検出した電圧の差である現在電圧差と、予め設定した基準電圧差とを比較する単セル電圧比較手段と、
該現在電圧差が該基準電圧差より大きい場合、フラッディング信号を発するフラッディング告知手段と、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記警告信号が発せられた時、前記燃料電池スタックに供給する空気量を増加する空気量変更手段を有する請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記フラッディング告知手段が前記フラッディング信号を発しない場合、前記警告手段は前記警告信号を解除し、前記空気量変更手段は、前記燃料電池スタックに供給する空気量を減少する請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記警告信号が発せられた時、前記燃料電池スタックの電流値が増大するように制御する電流値制御手段を有する請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックと並列に接続され、該燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、該燃料電池スタック及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置とを備え、
前記電流値制御手段は、前記蓄電装置及び前記負荷装置によって前記燃料電池スタックの電流値を増大させる請求項６記載の燃料電池システム。
【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】
特許文献１に従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックを備えている。各単セルは、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜を燃料極（アノード極、水素極ともいう。）と空気極（カソード極、酸素極ともいう。）とで挟持したものである。また、各単セルは、燃料極に水素ガス等の燃料を供給するための燃料室と、空気極に酸素を含む空気を供給するための空気室とを有している。
【０００３】
また、この燃料電池システムは、燃料供給装置と空気供給装置と制御装置とを備えている。燃料供給装置は、燃料電池スタックに燃料を供給するものである。空気供給装置は、燃料電池スタックに空気を供給するものである。制御装置は、燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御するものである。
【０００４】
このような構成である従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に、水素ガス等の燃料が各単セルの燃料室に供給され、それと同時に各単セルの空気極に酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セルでは、燃料極と空気極との間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極で得られた水素イオンがプロトン（Ｈ3Ｏ+）の形態で水分を含んだ電解質膜中を空気極側に移動し、空気極で空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極で得られた電子は負荷装置を通って空気極側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セルにおいて、電力が出力される。その結果、単セルが複数積層された燃料電池スタックは、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。
【０００５】
ところで、この燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に良好な発電状態を維持するため、各単セルの空気極で空気供給不足を生じないようにする必要がある。このため、各空気極からは少なくとも生成水が好適に排除されなければならない。電解質膜を直噴水によって湿潤に保つ燃料電池システムにおいては、各空気極に過剰な直噴水が残留しないようにもしなければならない。さもなければ、各単セルの発電能力が低下するからである。
【０００６】
このため、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力電圧とインピーダンス計で検出されたインピーダンスとにより全体的な空気極の濡れすぎを検出し、空気極が濡れすぎである場合には、全空気極に供給する空気の動圧を一時的に増加させることとしている。これにより、この燃料電池システムでは、各空気極の空気供給不足を解消可能としている。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記特許文献１の燃料電池システムは、空気極の空気供給不足を燃料電池スタック全体の出力電圧及びインピーダンスに基付いてしか判定していない。このため、他の影響で燃料電池スタック全体の出力電圧及びインピーダンスが変化してしまうような場合には、空気供給不足を正確に判定することができない。その結果、この燃料電池システムでは、空気供給不足の抑制並びにそれに起因する性能低下及び耐久性劣化を抑制することが不十分であった。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池スタックにフラッディングが生じて空気供給不足が生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記燃料電池スタックの電圧である測定電圧を検出する電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
該測定電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
現在の電流値と前回の電流値とを比較する電流値比較手段と、
現在の電流値と前回の電流値とが等しい場合、現在の該測定電圧が前回の該測定電圧より大きければ、フラッディング信号を発するフラッディング告知手段と、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
発明者らの試験結果によれば、以下の場合に単セル電圧が短時間で高くなる空気供給不足が生じたことを判断できる。まず、燃料電池スタック全体の測定電圧を検出するとともに電流値を検出し、現在の電流値と前回の電流値とを比較し、現在の電流値と前回の電流値とが等しい場合、現在の測定電圧が前回の測定電圧より大きければ、フラッディングが生じたことによる空気供給不足のおそれがある。そして、フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、警告信号を発し、単セル電圧が短時間で高くなる空気供給不足の抑制並びにそれに起因する性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。
【００１２】
警告手段は、少なくとも、制御装置の中で警告信号を発するものであればよい。そうであれば、制御装置が直ちに適切な処置を実施することができる。また、警告手段は、燃料電池システムの使用者その他の外部に対して、直ちにフラッディングが生じて空気供給不足が生じていることを知らせたり、制御装置が適切な処置を実施してもその空気供給不足が解消されない場合に異常を知らせたりするものであってもよい。
【００１３】
請求項２に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流値検出手段と、
各該単セル電圧及び電流値を記憶する記憶手段と、
現在の電流値と前回の電流値とを比較する電流値比較手段と、
現在の電流値が前回の電流値と等しい場合、現在の個々の該単セル電圧が前回の個々の該単セル電圧より大きければ、フラッディング信号を発するフラッディング告知手段と、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
発明者らの試験結果によれば、以下の場合にはいずれかの単セルでフラッディングが生じて空気供給不足が生じたことを判断できる。まず、各単セル電圧と電流値とを一定時間毎に検知し、現在の電流値と前回の電流値とを比較する。そして、現在の電流値が前回の電流値と等しい場合、現在の個々の単セル電圧が前回の個々の単セル電圧より大きければ、フラッディングのおそれがある。その状態が連続しておれば、その空気供給不足であると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。
【００１５】
請求項３に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出する単セル電圧検出手段と、
各該単セル電圧を記憶する記憶手段と、
全ての該単セルの中で最も電圧が高い最高電圧単セルを抽出する抽出手段と、
該最高電圧単セルと他の該単セルとの現在検出した電圧の差である現在電圧差と、予め設定した基準電圧差とを比較する単セル電圧比較手段と、
該現在電圧差が該基準電圧差より大きい場合、フラッディング信号を発するフラッディング告知手段と、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発する警告手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
発明者らの試験結果によれば、以下の場合にもいずれかの単セルでフラッディングが生じて空気供給不足が生じたことを判断できる。まず、各単セル電圧を一定時間毎に検知し、全ての単セルの中で、最も電圧が高い最高電圧単セルを抽出する。次いで、最高電圧単セルと他の単セルとの現在検出した電圧の差である現在電圧差と、予め設定した基準電圧差とを比較する。この基準電圧差は、適用される燃料電池システムごとに正常な発電時における燃料電池スタック内のセル電圧の最高値と最低値との差で求められる。そして、現在電圧差が基準電圧差より大きい場合、フラッディングのおそれがある。その状態が連続しておれば、その空気供給不足であると正確に判断される。その結果、この燃料電池システムでは、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することが可能になる。
【００１７】
したがって、請求項１〜３に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックにフラッディングが生じて空気供給不足が生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能である。
【００１８】
制御装置は、警告信号が発せられた時、燃料電池スタックに供給する空気量を増加する空気量変更手段を有することが好ましい。これにより、フラッディングの発生を検出した場合、空気供給量が増加されて空気流路を塞ぐ過剰な水が吹き飛ばされ、フラッディングが解消されるので、燃料電池スタックの出力低下を抑制できる。
【００１９】
フラッディング告知手段がフラッディング信号を発しない場合、警告手段は警告信号を解除し、空気量変更手段は、燃料電池スタックに供給する空気量を減少することが好ましい。この場合、一度、フラッディングが生じて空気供給不足になっても、回復動作に移行した後の燃料電池システムを通常の発電状態に復帰させることができる。
【００２０】
制御装置は、警告信号が発せられた時、燃料電池スタックの電流値が増大するように制御する電流値制御手段を有することが好ましい。この場合、例えば、キャパシタ、バッテリ等の蓄電装置に強制的に充電を行い、燃料電池の発電量を上げて温度を上昇させ、空気極から過剰な水を気化させることでフラッディングが生じた空気供給不足を解消することができる。
【００２１】
燃料電池スタックと並列に接続され、燃料電池スタックから出力された電力を蓄える蓄電装置と、燃料電池スタック及び蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置とを備える場合、電流値制御手段は、蓄電装置及び負荷装置によって燃料電池スタックの電流値を増大させることができる。この場合、燃料電池スタックは蓄電装置及び負荷装置に対して大きな電流値で発電することができる。
【００２２】
本発明は、燃料電池システムの運転方法でもあり得る。第１の燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記制御装置は、一定時間毎に前記燃料電池スタックの電圧である測定電圧及び前記燃料電池スタックの電流値を検出し、該測定電圧及び電流値を記憶した後、
現在の電流値と前回の電流値とを比較し、
現在の電流値と前回の電流値とが等しい場合、現在の該測定電圧が前回の該測定電圧より大きければ、フラッディング信号を発し、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発することを特徴とする。
【００２３】
第２の燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧及び前記燃料電池スタックの電流値を検出し、各該単セル電圧及び電流値を記憶した後、
現在の電流値と前回の電流値とを比較し、
現在の電流値が前回の電流値と等しい場合、現在の個々の該単セル電圧が前回の個々の該単セル電圧より大きければ、フラッディング信号を発し、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発することを特徴とする。
【００２４】
第３の燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、
該燃料電池スタックに該空気を供給する空気供給装置と、
該燃料電池スタックに供給する燃料量及び空気量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記制御装置は、一定時間毎に前記各単セルの電圧である単セル電圧を検出して記憶し、
全ての該単セルの中で最も電圧が高い最高電圧単セルを抽出した後、
該最高電圧単セルと他の該単セルとの現在検出した電圧の差である現在電圧差と、予め設定した基準電圧差とを比較し、
該現在電圧差が該基準電圧差より大きい場合、フラッディング信号を発し、
該フラッディング信号が予め定めた基準回数以上連続して発せられた場合にのみ、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、警告信号を発することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体化した実施例１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１に示す実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、蓄電装置２と、負荷装置３と、制御装置４とを備えている。
【００２７】
燃料電池スタック１は、図２に示すように、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セル１０が複数積層されたものである。単セル１０は、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜１１ａを燃料極１１ｂと、空気極１１ｃとで挟持したものである。燃料極１１ｂは、電解質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなり、空気極１１ｃは、電解質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる。また、各単セル１０は、隣接する他の単セル１０との間にセパレータ１２を有している。各セパレータ１２の燃料極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスである水素ガスが燃料極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって酸素を含む空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。
【００２８】
そして、この燃料電池スタック１は、図１に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム１００を構成する。
【００２９】
燃料電池スタック１の燃料室１２ａに設けられた供給口２１ａ及び排出口２１ｂには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室１２ａ内への水素ガスの供給及び燃料室１２ａからの排気水素ガスの排出を実施することが可能とされている。
【００３０】
供給口２１ａの最も上流側には水素タンク５０があり、水素タンク５０と供給口２１ａとの間には、配管５１が設けられている。配管５１は、水素タンク５０側から、水素元電磁弁６１ａと、水素供給圧レギュレータ６１ｂと、水素供給電磁弁６１ｃとを有している。
【００３１】
排出口２１ｂから接続点Ｂまでには配管５２が設けられ、接続点Ｂからダクト９１までには、配管５３が設けられている。また、接続点Ｂから配管５１の途中の接続点Ａまでには、配管５４が設けられている。
【００３２】
配管５３は、排気水素ガスを排気口２１ｂから排出するための水素排気電磁弁６３を有している。配管５４は、排気水素ガスを供給口２１ａから再供給するための水素循環電磁弁６４を有している。水素タンク５０、配管５１〜５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４が燃料供給装置である。
【００３３】
また、燃料電池スタック１の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド４２が設けられている。この空気マニホールド４２には、フィルタ４１ａを有する空気吸入ファン４１が接続されており、空気室１２ｂ内に空気を供給可能とされている。空気吸入ファン４１及び空気マニホールド４２が空気供給装置である。
【００３４】
また、空気マニホールド４２には、水噴射ノズル９９が配設されている。この水噴射ノズル９９は、配管９８によりレベルゲージ９７ａが内装された水タンク９７と接続されている。配管９８は、フィルタ９８ａ及び水直噴ポンプ８３を有している。水直噴ポンプ８３、配管９８及び水噴射ノズル９９が燃料電池スタック１に水を供給する冷却装置である。
【００３５】
さらに、燃料電池スタック１の下方には、温度センサ９０ａを有する空気排出経路９０と、凝縮器９２と、凝縮器ファン９３と、排出された空気を空気排出経路９０から凝縮器９２まで導くダクト９１とが設けられて、空気室１２ｂ内から空気を排出可能とされている。凝縮器９２は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管９４と、フィルタ９４ａと、温度センサ９４ｂとを有しているとともに、分離された水を水タンク９７に輸送する配管９６と、水回収ポンプ８２とを有している。
【００３６】
燃料電池スタック１、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３、及び水素循環電磁弁６４は、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。また、空気吸入ファン４１、レベルゲージ９７ａ、水直噴ポンプ８３、温度センサ９０ａ、凝縮器ファン９３その他の構成部品も、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。
【００３７】
次に、蓄電装置２、負荷装置３及び制御装置４について説明する。
【００３８】
蓄電装置２は、図１に示すように、燃料電池スタック１と並列に接続され、燃料電池スタック１から出力された電力を蓄えるものである。蓄電装置２としては、キャパシタや二次電池等の一般的な蓄電手段を採用することができる。
【００３９】
負荷装置３は、燃料電池スタック１及び蓄電装置２とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動されるものである。負荷装置３は、インバータ（図示しない）及び電動モータ（図示しない）を有し、燃料電池システム１００が搭載される自動車を走行させることが可能とされている。
【００４０】
制御装置４は、燃料電池スタック１に供給する燃料量及び空気量を制御し、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えると共に燃料電池スタック１の電流値を制御するものである。
【００４１】
具体的には、空気吸入ファン４１及び水直噴ポンプ８３は制御装置４に接続されている。また、燃料電池スタック１の燃料極１１ａ側の端子１ａには、制御装置４の一部を構成するリレー４５ａ、４５ｄ、ダイオード４５ｂ及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）４５ｃが接続されている。
【００４２】
リレー４５ａ、４５ｄの連携動作によって、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えたり、燃料電池スタック１と蓄電装置２及び負荷装置３との接続を切り離したりすることが可能とされている。また、ダイオード４５ｂによって、蓄電装置２から燃料電池スタック１への電流を遮断するようになっている。さらに、ＩＰＭ４５ｃによって、燃料電池スタック１と蓄電装置２との電力供給の分担を状況に応じて調整し、燃料電池スタック１の電流値を制御することが可能とされている。
【００４３】
また、制御装置４は、図３の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３のプログラムに示すように、電圧検出手段Ｓ１０２、Ｓ１０４、電流値検出手段Ｓ１０３、Ｓ１０５、記憶手段Ｓ１０２〜Ｓ１０５、電流値比較手段Ｓ１０６、フラッディング告知手段Ｓ１０７、Ｓ１０８及び警告手段Ｓ１０９、Ｓ１１３を有する。
【００４４】
さらに、制御装置４は、図４の空気供給不足対策ルーチンのプログラムに示すように、空気量変更手段Ｓ２０１及び電流値制限手段Ｓ２０３を有する。
【００４５】
このような構成である実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の発電時に、図２に示すように、水素ガス等の燃料が各単セル１０の燃料室１２ａに供給され、それと同時に各単セル１０の空気室１２ｂに酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セル１０では、燃料極１１ｂと空気極１１ｃとの間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極１１ｂで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ3Ｏ+）の形態で水分を含んだ電解質膜１１ａ中を空気極１１ｃ側に移動し、空気極１１ｃで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極１１ｂで得られた電子は負荷装置３を通って空気極１１ｃ側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セル１０において、電力が出力される。その結果、単セル１０が複数積層された燃料電池スタック１は、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。
【００４６】
この間、図１に示すように、配管５１、５２、５３、５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４によって、水素タンク５１から水素ガスが供給口２１ａに供給されたり、排気水素ガスが排出口２１ｂから供給口２１ａに再供給されたりする。また、配管５２、５３と、水素排気電磁弁６３とによって、排気水素ガス及び電気化学反応により生成された生成水が燃料室１２ａの排出口２１ｂから間欠的にダクト９１を経て凝縮器９２に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせる。
【００４７】
また、水タンク９７の水が水直噴ポンプ８３により圧送されて、水噴射ノズル９９から空気マニホールド４２内に噴射される。これにより、空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａの乾燥が抑制され、適度な湿潤状態とされるとともに、燃料電池スタック１が冷却される。さらに、燃料電池スタック１の空気室１２ｂから排出された水を含む空気は、空気排出経路９０からダクト９１を経て凝縮器９２に移送される。そして、凝縮器９２により分離された空気は、配管９４から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ８２により水タンク９７に回収される。なお、ダクト９１を経て凝縮器９２に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク９７に回収される。
【００４８】
このように動作する燃料電池システム１００において、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図３に示すプログラムに従って、上述の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３を実施する。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１にフラッディングが生じて空気供給不足であると判定した場合に警告信号を発する。
【００４９】
つまり、この検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３が実行されると、Ｓ１０１、Ｓ１０２において、初期設定がなされる。ステップＳ１０１では、検知処理実施回数ｍ及びフラッディング信号連続発生回数ｎが０とされる。Ｓ１０２では、燃料電池スタック１の電圧である測定電圧Ｖｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。次に、ステップＳ１０３では、燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。
【００５０】
そして、ステップＳ１０４〜Ｓ１１０において、空気供給不足の検知処理が繰り返される。ステップＳ１０４では、前回計測から一定時間経過後に測定電圧Ｖｓ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。ステップＳ１０５では、前回計測から一定時間経過後に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。
【００５１】
ステップＳ１０６では、現在の電流値Ｉｓ（ｍ）と前回の電流値Ｉｓ（ｍ−１）とが比較される。これらが等しければ、ステップＳ１０７に進み、現在の測定電圧Ｖｓ（ｍ）と前回の測定電圧Ｖｓ（ｍ−１）とが比較される。その結果、ステップＳ１０７において、現在の測定電圧Ｖｓ（ｍ）が前回の測定電圧Ｖｓ（ｍ−１）より高い場合、ステップＳ１０８において、フラッディング信号が発せられる。この際、連続してフラッディング信号が発生されれば、ステップＳ１０８において、フラッディング信号連続発生回数ｎが１つ加算される。他方、ステップＳ１０６又はステップＳ１０７において、判定式が成立せず、フラッディング信号の発生が途切れれば、Ｓ１１２において、フラッディング信号連続発生回数ｎがリセットされて０となる。
【００５２】
そして、ステップＳ１０９において、フラッディング信号連続発生回数ｎが基準回数以上である場合には、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、Ｓ１１３において、警告信号が発生され、それによって、燃料電池システム１００は、所定の回復動作である図４に示す空気供給不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０５に移行することとなる。
【００５３】
他方、図３に示すステップＳ１０９において、フラッディング信号連続発生回数ｎが基準回数より小さい場合には、ステップＳ１１０において、検知処理を継続するかどうかが判断され、検知処理を継続する場合には、ステップＳ１１１において、検知処理実施回数ｍが１つ加算されて、Ｓ１０４から再び、検知処理を繰り返すこととなる。
【００５４】
制御装置４は、図４に示すように、空気供給不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０５に移行した後、下記の通り、燃料電池システム１００の回復動作を実施する。
【００５５】
ステップＳ２０１では、空気吸入ファン４１の回転数を増加させて、燃料電池スタック１に供給する空気量を増加させる。これにより、空気極１１ｃに供給される空気が増加し、フラッディングによる空気供給不足の進行を抑制することができるとともに、空気流路を塞ぐ過剰な水を吹き飛ばすことができるので、燃料電池スタック１の性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【００５６】
そして、ステップＳ２０２では、図３の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３のプログラムにおける空気供給不足検知処理の結果を参照し、その結果、フラッディングによる空気供給不足が改善されている場合には、ステップＳ２０４において燃料電池スタック１に供給する空気量を減少させ、元の空気量に戻す。他方、その空気供給不足が改善されていない場合には、ステップＳ２０３に移行する。
【００５７】
ステップＳ２０３では、リレー４５ａ、４５ｄ、ＩＰＭ４５ｃ等を制御し、充電容量の大きな蓄電装置２又は使用容量の大きな負荷装置３に対して燃料電池スタック１が電流を流すようにする。これにより、燃料電池スタック１は蓄電装置２及び負荷装置３に対して大きな電流値で発電することができる。
【００５８】
さかのぼって、ステップＳ２０４において、燃料電池スタック１に供給する空気量を減少させ、元の空気量に戻した後、ステップＳ２０５において、再度、図３の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３のプログラムにおける空気供給不足検知処理の結果を参照し、その結果、フラッディングによる空気供給不足が起きていなければ、その空気供給不足が完全に解消されたと判断して、空気供給不足対策を終了する。ここで、その空気供給不足が再度起きていれば、ステップＳ２０１に戻り、空気供給不足対策を繰り返すこととなる。
【００５９】
このような手順により、実施例１の燃料電池システム１００は、フラッディングによる空気供給不足の抑制並びにそれに起因する性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【実施例２】
【００６０】
実施例２の燃料電池システムは、実施例１の燃料電池システム１００の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３に対して、図５に示す検知処理ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３が採用されたものである。他の構成は、実施例１の燃料電池システム１００と同様であるので、説明は省く。
【００６１】
実施例２の燃料電池システムにおいて、制御装置４は、図５の検知処理ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３のプログラムに示すように、単セル電圧検出手段Ｓ３０２、Ｓ３０４、電流値検出手段Ｓ３０３、Ｓ３０５、記憶手段Ｓ３０２〜Ｓ３０５、電流値比較手段Ｓ３０６、フラッディング告知手段Ｓ３０７、Ｓ３０８及び警告手段Ｓ３０９、Ｓ３１３を有する。
【００６２】
このような構成である実施例２の燃料電池システムも、自動車に搭載されて、実施例１の燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００６３】
そして、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図５に示すプログラムに従って、検知処理ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３を実施する。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１がフラッディングによって空気供給不足であると判定した場合に警告信号を発する。
【００６４】
つまり、この検知処理ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３が実行されると、ステップＳ３０１〜Ｓ３０３において、初期設定がなされる。ステップＳ３０１では、検知処理実施回数ｍ及びフラッディング信号連続発生回数ｎが０とされる。ステップＳ３０２では、各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（０）、Ｖｃ２（０）、…、Ｖｃｐ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。次に、ステップＳ３０３では、燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。
【００６５】
そして、ステップＳ３０４〜Ｓ３１３において、空気供給不足の検知処理が繰り返される。ステップＳ３０４では、前回計測から一定時間経過後に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。ステップＳ３０５では、前回計測から一定時間経過後に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。
【００６６】
ステップＳ３０６では、現在の電流値Ｉｓ（ｍ）と前回の電流値Ｉｓ（ｍ−１）とが比較される。これらが等しければ、ステップＳ３０７に進み、現在の各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）と前回の各単セル電圧Ｖｃ１（ｍ−１）、Ｖｃ２（ｍ−１）、…、Ｖｃｐ（ｍ−１）とが各単セル１０毎に比較される。その結果、ステップＳ３０７において、いずれかの単セル１０（例えば、総数ｐの単セルのうち、ｑ番目の単セル１０）について、現在の単セル電圧Ｖｃｑ（ｍ）が前回の単セル電圧Ｖｃｑ（ｍ−１）より高い場合、ステップＳ３０８において、フラッディング信号が発せられる。この際、連続してフラッディング信号が発生されれば、ステップＳ３０８において、フラッディング信号連続発生回数ｎが１つ加算される。他方、ステップＳ３０６又はステップＳ３０７において、判定式が成立せず、フラッディング信号の発生が途切れれば、ステップＳ３１２において、フラッディング信号連続発生回数ｎがリセットされて０となる。
【００６７】
そして、ステップＳ３０９において、フラッディング信号連続発生回数ｎが基準回数以上である場合には、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、ステップＳ３１３において、警告信号が発生され、それによって、燃料電池システムは、実施例１と同様の図４に示す空気供給不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０５に移行することとなる。
【００６８】
他方、ステップＳ３０９において、フラッディング信号連続発生回数ｎが基準回数より小さい場合には、ステップＳ３１０において、検知処理を継続するかどうかが判断され、検知処理を継続する場合には、ステップＳ３１１において、検知処理実施回数ｍが１つ加算されて、ステップＳ３０４から再び、検知処理を繰り返すこととなる。
【００６９】
このような手順により、実施例２の燃料電池システムにおいては、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【００７０】
次に、上述した実施例２の燃料電池システム１００を自動車に搭載した状態で、確認試験を実施した。測定結果を図６及び図７に示す。
【００７１】
図６は、各単セル１０（単セルの総数ｐ＝４）の電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ４（ｍ）を検出し、時間の経過によって、どのように変化するかを示したグラフである。Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ４（ｍ）の時間の経過による変化を直線Ｇ１、Ｇ２、…Ｇ４により示す。図７では、燃料電池スタック１から出力される電流は、時間の経過に合わせて、電圧が階段状になるように負荷装置３が指令を出している。このため、各単セル１０の電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃ４（ｍ）も、基本的には階段状に減少する傾向を有している。
【００７２】
ここで、例えば、グラフ中の時刻ｔ１、ｔ２において、各単セル１０のうち、直線Ｇ４に示す単セル１０は、フラッディングが顕著に生じている状態である。他方、直線Ｇ１〜Ｇ３に示す単セル１０は、フラッディングが殆ど生じていない状態である。そして、直線Ｇ４から解るように、フラッディングが生じた単セル１０は、通常では連続せず、単セル電圧がすぐに高くなる。このため、この測定結果に対して上述の検知処理ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３を適用すれば、ステップＳ３０６〜Ｓ３０７の判定式が連続して成立しない限り、空気供給不足を生じさせるフラッディングが生じたと判定されないこととなる。こうして、実施例２の検知処理ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１３は、確実に単セルレベルでの空気供給不足を検知することができるのである。
【００７３】
したがって、実施例２の燃料電池システムは、燃料電池スタック１にフラッディングによる空気供給不足が生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制することができることがわかる。
【実施例３】
【００７４】
実施例３の燃料電池システムは、実施例１の燃料電池システム１００の検知処理ルーチンＳ１０１〜Ｓ１１３に対して、図８に示す検知処理ルーチンＳ４０１〜Ｓ４１１が採用されたものである。他の構成は、実施例１の燃料電池システム１００と同様であるので、説明は省く。
【００７５】
実施例３の燃料電池システムにおいて、制御装置４は、図８の検知処理ルーチンＳ４０１〜Ｓ４１１のプログラムに示すように、単セル電圧検出手段Ｓ４０３、記憶手段Ｓ４０３、抽出手段Ｓ４０４、単セル電圧比較手段Ｓ４０５、フラッディング告知手段Ｓ４０６及び警告手段Ｓ４０７、Ｓ４１１を有する。
【００７６】
このような構成である実施例３の燃料電池システムも、自動車に搭載されて、実施例１の燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００７７】
そして、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、図８に示すプログラムに従って、上述の検知処理ルーチンＳ４０１〜Ｓ４１１を実施する。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１がフラッディングによる空気供給不足であると判定した場合に警告信号を発する。
【００７８】
つまり、この検知処理ルーチンＳ４０１〜Ｓ４１１が実行されると、ステップＳ４０１において、初期設定として、検知処理実施回数ｍ及びフラッディング信号連続発生回数ｎが０とされる。
【００７９】
そして、ステップＳ４０３〜Ｓ４１１において、フラッディングの検知処理が繰り返される。ステップＳ４０３では、前回計測から一定時間経過後に各単セル１０の電圧である単セル電圧Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。さらに、ステップＳ４０４では、全ての単セル１０の中で、最も電圧が高い単セル１０がＸとされ、他の任意の単セル１０がＹとされて抽出される。
【００８０】
ステップＳ４０５では、Ｘ番目及びＹ番目の単セル１０に係る単セル電圧ＶｃＸ（ｍ）、ＶｃＹ（ｍ）に対し、現在の差である現在電圧差（ＶｃＸ（ｍ）−ＶｃＹ（ｍ））と、正常時での単セル電圧の最高値と最低値との差で求められる基準電圧差とが比較される。その結果、ステップＳ４０５において、現在電圧差（ＶｃＸ（ｍ）−ＶｃＹ（ｍ））が基準電圧差より大きい場合、ステップＳ４０６において、フラッディング信号が発せられる。この際、連続してフラッディング信号が発生されれば、ステップＳ４０６において、フラッディング信号連続発生回数ｎが１つ加算される。他方、ステップＳ４０５において、判定式が成立せず、フラッディング信号の発生が途切れれば、ステップＳ４１０において、フラッディング信号連続発生回数ｎがリセットされて０となる。
【００８１】
そして、ステップＳ４０７において、フラッディング信号連続発生回数ｎが基準回数以上である場合には、フラッディングが生じて空気供給不足が生じていると判断して、ステップＳ４１１において、警告信号が発生され、それによって、燃料電池システムは、実施例１と同様の図４に示す空気供給不足対策ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０５に移行することとなる。
【００８２】
他方、ステップＳ４０７において、フラッディング信号連続発生回数ｎが基準回数より小さい場合には、ステップＳ４０８において、検知処理を継続するかどうかが判断され、検知処理を継続する場合には、ステップＳ４０９において、検知処理実施回数ｍが１つ加算されて、ステップＳ４０３から再び、検知処理を繰り返すこととなる。
【００８３】
このような手順により、実施例３の燃料電池システムも、単セルレベルでの空気供給不足の抑制並びにそれに起因する単セルレベルでの性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。
【００８４】
以上において、本発明を実施例１〜３に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜３に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】実施例１の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図２】実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの積層体の模式断面図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの検知処理ルーチンのフローチャートである。
【図４】実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの空気供給不足対策ルーチンのフローチャートである。
【図５】実施例２の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの検知処理ルーチンのフローチャートである。
【図６】実施例２の燃料電池システムに係り、経過時間と燃料電池スタックの各単セル電圧との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２の燃料電池システムに係り、経過時間と燃料電池スタックの各単セル電圧との関係を示すグラフである。
【図８】実施例３の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの検知処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８７】
１０…単セル
１…燃料電池スタック
５０、５１〜５４、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６３、６４…燃料供給装置（５０…水素タンク、５１〜５４…配管、６１ａ…水素元電磁弁、６１ｂ…水素供給圧レギュレータ、６１ｃ…水素供給電磁弁、６３…水素排気電磁弁、６４…水素循環電磁弁）
４１、４２…空気供給装置（４１…空気吸入ファン、４２…空気マニホールド）
２…蓄電装置
３…負荷装置
４…制御装置
１００…燃料電池システム
Ｓ１０４…電圧検出手段
測定電圧…Ｖｓ（ｍ）
Ｓ１０５、Ｓ３０５…電流値検出手段
Ｓ１０２〜Ｓ１０５、Ｓ３０２〜Ｓ３０５…記憶手段
Ｓ１０６、Ｓ３０６…電流値比較手段
Ｓ１０７〜Ｓ１０９、Ｓ１１３、Ｓ３０９、Ｓ３１３…警告手段
Ｓ３０７、Ｓ３０８…フラッディング告知手段
Ｓ３０４、Ｓ４０３…単セル電圧検出手段
Ｖｃ１（ｍ）、Ｖｃ２（ｍ）、…、Ｖｃｐ（ｍ）…単セル電圧
Ｓ１０３〜Ｓ１０５、Ｓ３０３〜Ｓ３０５、Ｓ４０３…記憶手段
Ｓ１０６、Ｓ３０６、Ｓ４０５…単セル電圧比較手段
Ｓ１０７、Ｓ１０８、Ｓ２０８、Ｓ３０７、Ｓ３０８、Ｓ４０６…ドライアップ告知手段
Ｓ１０９、Ｓ１１０、Ｓ２０９、Ｓ２１０、Ｓ３０９、Ｓ３１０、Ｓ４０７、Ｓ４１１…警告手段
Ｓ４０４…抽出手段
Ｓ２０１…空気量変更手段
Ｓ２０３…電流値制御手段
【図１】
0004839698.tif 000002
【図２】
0004839698.tif 000003
【図３】
0004839698.tif 000004
【図４】
0004839698.tif 000005
【図５】
0004839698.tif 000006
【図６】
0004839698.tif 000007
【図７】
0004839698.tif 000008
【図８】
0004839698.tif 000009