(57)【要約】【課題】  大型化することなく、カソード溶液の濃度を制御できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、カソードに供給されたカソード溶液内の酸化還元物質を、アノードに供給された燃料ガスで還元することにより発電する燃料電池と、カソードから排出されたカソード溶液内の酸化還元物質を、酸化ガスで酸化して、酸化された酸化還元物質を含むカソード溶液をカソードに再供給する溶液供給部と、溶液供給部に酸化ガスを供給するガス供給部と、溶液供給部から排出される酸化ガスの圧力を調整する調整部と、再供給されるカソード溶液内の酸化還元物質の濃度を測定する濃度測定部と、溶液再供給されるカソード溶液内の酸化還元物質の酸化還元電位を測定する電位測定部と、測定された濃度及び酸化還元電位に基づき、調整部により酸化ガスの圧力を制御する制御部とを備える。【選択図】図２
2016219333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードに供給されたカソード溶液内の酸化還元物質を、アノードに供給された燃料ガスで還元することにより発電する燃料電池と、
前記カソードから排出された前記カソード溶液内の前記酸化還元物質を、酸化ガスで酸化して、酸化された前記酸化還元物質を含む前記カソード溶液を前記カソードに再供給する溶液供給部と、
前記溶液供給部に前記酸化ガスを供給するガス供給部と、
前記溶液供給部から排出される前記酸化ガスの圧力を調整する調整部と、
前記溶液供給部から前記カソードに再供給される前記カソード溶液内の前記酸化還元物質の濃度を測定する濃度測定部と、
前記溶液供給部から前記カソードに再供給される前記カソード溶液内の前記酸化還元物質の酸化還元電位を測定する電位測定部と、
前記濃度測定部により測定された濃度及び前記電位測定部により測定された酸化還元電位に基づき、前記調整部により前記酸化ガスの圧力を制御する制御部とを備えた燃料電池システム。
【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】
レドックスフロー型の燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１及び２参照）。レドックス（RedOx: Reduction / Oxidation）とは、還元及び酸化のことである。この燃料電池システムは、カソードと再生装置との間で、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ）などの酸化還元物質（メディエータ）を含む溶液を循環させることにより、カソードにおける酸化還元反応を実現する。酸化還元物質は、カソードにおいて還元された後、再生装置により酸化されることにより再生されて、カソードに再供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２２６９７４号公報
【特許文献２】特表２０１４−５００６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
再生装置は、例えば、カソードから排出された溶液に空気を通すことにより、溶液内の酸化還元物質を酸化させる。このとき、その酸化により生成された水分と溶液内の水分の一部は、再生装置から排出される空気の流れにより排出される。したがって、酸化反応により生成された水分よりも、空気の流れにより排出される水分が多い場合には、溶液内の酸化還元物質の濃度が上昇する。これにより、溶液の粘度が増加し、カソードと再生装置の間における溶液の循環のための圧損が増加することにより、システムの効率が低下する。
【０００５】
これに対し、例えば、燃料電池システムに気液分離器や貯留槽などを設け、再生装置から排出された空気から水分を分離して貯留した後、その水分を必要に応じて再生装置に戻せば、溶液の濃度の増加が防止される。しかし、このような設備の追加には、燃料電池システムが大型化するという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、大型化することなく、カソード溶液の濃度を制御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】
本明細書に記載の燃料電池システムは、カソードに供給されたカソード溶液内の酸化還元物質を、アノードに供給された燃料ガスで還元することにより発電する燃料電池と、前記カソードから排出された前記カソード溶液内の前記酸化還元物質を、酸化ガスで酸化して、酸化された前記酸化還元物質を含む前記カソード溶液を前記カソードに再供給する溶液供給部と、前記溶液供給部に前記酸化ガスを供給するガス供給部と、前記溶液供給部から排出される前記酸化ガスの圧力を調整する調整部と、前記溶液供給部から前記カソードに再供給される前記カソード溶液内の前記酸化還元物質の濃度を測定する濃度測定部と、前記溶液供給部から前記カソードに再供給される前記カソード溶液内の前記酸化還元物質の酸化還元電位を測定する電位測定部と、前記濃度測定部により測定された濃度及び前記電位測定部により測定された酸化還元電位に基づき、前記調整部により前記酸化ガスの圧力を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、大型化することなく、カソード溶液の濃度を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの比較例を示す構成図である。
【図２】燃料電池システムの実施例を示す構成図である。
【図３】ＰＯＭの濃度に対する酸化還元電位の変化の一例を示すグラフである。
【図４】空気の背圧の基準値の一例を示すグラフである。
【図５】燃料電池システムの動作の一例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】
【００１０】
図１は燃料電池システムの比較例を示す構成図である。燃料電池システムは、レドックスフロー型であり、例えば自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータに電力ＰＷを供給する。
【００１１】
燃料電池システムは、水素タンク１１と、燃料ガス調圧弁１２と、燃料電池１３と、パージ弁１４と、水素循環ポンプＰｈと、再生装置２１と、溶液循環ポンプＰｏと、水分量調整装置３０と、エアコンプレッサ３１とを備える。
【００１２】
燃料電池１３には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路Ｒ１０と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路Ｒ１１とが接続されている。燃料ガス供給路Ｒ１０には、水素タンク１１及び燃料ガス調圧弁１２が、この順に接続されている。
【００１３】
水素タンク１１は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１１から燃料ガス調圧弁１２を経由して燃料電池１３のアノードに導入される。水素ガスは、燃料ガス調圧弁１２を通過することで圧力が調整される。
【００１４】
燃料電池１３から排出された水素ガス（つまりオフガス）は、燃料ガス排出路Ｒ１１に導かれる。燃料ガス排出路Ｒ１１の途中には、パージ弁１４が設けられている。
【００１５】
燃料ガス排出路Ｒ１１からは、再循環経路Ｒ１２が分岐している。分岐した再循環経路Ｒ１２は、燃料ガス供給路Ｒ１０に接続されている。再循環経路Ｒ１２には水素循環ポンプＰｈが設けられており、水素循環ポンプＰｈは、燃料ガス排出路Ｒ１１に排出された水素ガスを、再循環経路Ｒ１２を経由して燃料ガス供給路Ｒ１０に導く。再循環経路Ｒ１２から燃料ガス供給路Ｒ１０に導かれた水素ガスは、燃料電池１３に再供給される。
【００１６】
燃料電池１３のアノードには水素ガスが供給され、燃料電池１３のカソードには、酸化還元物質であるＰＯＭ（ポリオキソメタレート）を含むカソード溶液が供給される。燃料電池１３は、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成され、各燃料電池セルは、アノード電極１３ａ、カソード電極１３ｃ、アノード電極１３ａ、及びカソード電極１３ｃに挟まれた電解質膜１３ｂを備える。
【００１７】
電解質膜１３ｂは、例えば、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン電導性を有する。アノード電極１３ａ及びカソード電極１３ｃは、例えば多孔質構造を有し、圧力損失が抑制され、かつ、反応面積が大きい構造であることが望ましい。アノード電極１３ａには白金触媒が備えられており、アノード電極１３ａに供給された水素ガスは、白金触媒によりプロトン（水素イオン）に変化する。
【００１８】
一方、カソード電極１３ｃと再生装置２１の間には、ＰＯＭを含むカソード溶液が循環している。ＰＯＭは、バナジウム、モリブデン、及びタングステンなどを含む化合物である。カソード溶液内のＰＯＭは、カソード電極１３ｃにおいて、アノード電極１３ａから移動してきたプロトンと結合することにより還元されてＰＯＭ−Ｈ（還元体）に変化する。つまり、カソード電極１３ｃでは、４ＰＯＭ＋４ｅ−＋４Ｈ＋→４ＰＯＭ−Ｈの反応が生ずる。なお、ｅ−は電子を表す。
【００１９】
このように、燃料電池１３は、カソードに供給されたカソード溶液内のＰＯＭを、アノードに供給された燃料ガスで還元されることにより発電する。発電により得られた電力ＰＷは、例えば車両を駆動するモータなどに供給される。
【００２０】
燃料電池１３と再生装置２１の間には、カソード溶液を供給するための溶液供給路Ｒ２０と、発電に使用されたカソード溶液を排出するための溶液排出路Ｒ２１とが接続されている。溶液排出路Ｒ２１には、燃料電池１３から排出されたカソード溶液を再生装置２１に圧送するための溶液循環ポンプＰｏが接続されている。
【００２１】
再生装置２１は、溶液供給部の一例であり、燃料電池１３のカソードから排出されたカソード溶液内のＰＯＭ−Ｈを、空気に含まれる酸素で酸化することでＰＯＭ（酸化体）を再生し、ＰＯＭ（酸化されたＰＯＭ−Ｈ）を含むカソード溶液をカソードに再供給する。再生装置２１には、空気を供給するための空気供給路Ｒ３０と、ＰＯＭの再生に使用した空気を排出するための空気排出路Ｒ３１とが接続されている。
【００２２】
空気供給路Ｒ３０には、エアコンプレッサ３１が接続されている。エアコンプレッサ３１は、ガス供給部の一例であり、再生装置２１に空気を供給する。より具体的には、エアコンプレッサ３１は、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ２）を含む空気を取り込んで再生装置２１に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。
【００２３】
再生装置２１には、例えば、燃料電池１３のカソードから排出されたカソード溶液を貯留する貯留槽が備えられ、その貯留槽内のカソード溶液にエアコンプレッサ３１からの空気を通すことにより、カソード溶液内のＰＯＭ−Ｈと酸素を反応させる。この反応は、Ｏ２＋４ＰＯＭ−Ｈ→２Ｈ２Ｏ＋４ＰＯＭで表される。再生装置２１は、再生したＰＯＭを含むカソード溶液を、溶液供給路Ｒ２０を介し燃料電池１３のカソードに再供給する。
【００２４】
また、再生装置２１は、ＰＯＭ−Ｈの酸化処理に使用した空気を空気排出路Ｒ３１から外部に排出する。このとき、ＰＯＭ−Ｈの酸化により生じた水分（以下、生成水）の一部と、カソード溶液中の水分の一部も、再生装置２１から排出される空気の流れにより排出される。したがって、ＰＯＭ−Ｈの酸化により生じた水分よりも、空気の流れにより排出される水分が多い場合には、カソード溶液内のＰＯＭの濃度が上昇する。この場合、カソード溶液の粘度が増加し、カソード溶液を循環させる溶液循環ポンプＰｏの圧損が増加することにより、システムの効率が低下する。
【００２５】
これを防止するため、空気排出路Ｒ３１には、再生装置２１に供給される空気中の水分量を調整する水分量調整装置３０が接続されている。水分量調整装置３０は、例えば気液分離器及び貯留槽などを備えており、気液分離器により再生装置２１から排出された空気から水分を抽出して貯留槽に貯留する。水分量調整装置３０は、必要に応じて貯留槽の水分を取り出し、水分循環路Ｒ３２を介して空気供給路Ｒ３０に導入する。
【００２６】
これにより、水分量調整装置３０は、再生装置２１から排出された生成水を再生装置２１に戻すことができる。したがって、カソード溶液内のＰＯＭの濃度の増加に伴うカソード溶液の粘度の増加が防止され、溶液循環ポンプＰｏの圧損の増加が防止される。
【００２７】
しかし、水分量調整装置３０のような設備を設けた場合、燃料電池システムが大型化するという問題がある。そこで、実施例の燃料電池システムは、空気排出路Ｒ３１に空気の背圧を調整するための弁を設けることにより、カソード溶液内の水分量を調整する。これにより、大型化することなく、カソード溶液の濃度の制御が可能となる。
【００２８】
図２は、燃料電池システムの実施例を示す構成図である。図２において、図１と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２９】
燃料電池システムは、制御装置１０と、水素タンク１１と、燃料ガス調圧弁１２と、燃料電池１３と、パージ弁１４と、水素循環ポンプＰｈと、再生装置２１と、溶液循環ポンプＰｏと、エアコンプレッサ３１とを備える。また、燃料電池システムは、温度センサ２２と、ＯＲＰメータ２３と、ｐＨメータ２４と、フローメータ３２と、背圧弁３３と、圧力メータ３４とを備える。
【００３０】
制御装置１０は、制御部の一例であり、燃料電池システムの動作を制御する。制御装置１０は、例えば、外部から入力された電力の要求値ＲＱに応じて、制御信号Ｓ３，Ｓ４を燃料ガス調圧弁１２及びパージ弁１４にそれぞれ出力する。制御装置１０は、制御信号Ｓ３により燃料ガス調圧弁１２の弁の開度を調整することで、燃料電池１３に導入される水素ガスの圧力を調整し、制御信号Ｓ４によりパージ弁１４を開閉する。
【００３１】
制御装置１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。なお、制御装置１０は、プログラムで動作するものに限定されず、ハードウェアのみで動作するものであってもよい。
【００３２】
背圧弁３３は、水分量調整装置３０に代えて、空気排出路Ｒ３１に設けられている。背圧弁３３は、調整部の一例であり、再生装置２１から排出される空気の圧力、つまり空気（酸素）の背圧を調整する。
【００３３】
制御装置１０は、制御信号Ｓ２を背圧弁３３に出力する。背圧弁３３の開度は、制御信号Ｓ２に従い調整される。これにより、制御装置１０は空気の背圧を制御する。
【００３４】
圧力メータ３４は、空気排出路Ｒ３１に設けられ、背圧弁３３における空気の背圧Ｐｅを測定する。圧力メータ３４は、測定した背圧Ｐｅを制御装置１０に通知する。制御装置１０は、圧力メータ３４で測定される背圧Ｐｅが目標値となるように背圧弁３３を制御する。
【００３５】
また、制御装置１０は、制御信号Ｓ１をエアコンプレッサ３１に出力する。エアコンプレッサ３１は、制御信号Ｓ１に従い、圧送する空気の量を調整する。これにより、制御装置１０は、エアコンプレッサ３１から再生装置２１に供給される酸素の供給量を制御する。
【００３６】
フローメータ３２は、空気供給路Ｒ３０に設けられ、エアコンプレッサ３１から供給される酸素の流量Ｍを測定する。フローメータ３２は、測定した酸素の流量Ｍを制御装置１０に通知する。
【００３７】
温度センサ２２、ＯＲＰメータ２３、及びｐＨメータ２４は、溶液供給路Ｒ２０に設けられている。温度センサ２２は、燃料電池１３のカソードに供給されるカソード溶液の温度Ｔを測定する。温度センサ２２は、測定した温度Ｔを制御装置１０に通知する。
【００３８】
ＯＲＰメータ２３は、電位測定部の一例であり、再生装置２１から燃料電池１３のカソードに再供給されるカソード溶液内のＰＯＭの酸化還元電位（ORP: Oxidation-reduction Potential）を測定する。ＯＲＰメータ２３は、測定したＯＲＰの値Ｅを制御装置１０に通知する。
【００３９】
ＯＲＰは、酸化還元反応系における電子のやりとりの際に発生する電位であり、ネルンストの式に従い算出される。このため、本実施例の場合、ＯＲＰは、酸化体のＰＯＭ及び還元体のＰＯＭ−Ｈの濃度の比率に応じて変化する。
【００４０】
図３は、ＰＯＭの濃度に対する酸化還元電位（ＯＲＰ）の変化の一例を示すグラフである。図３に示されるように、酸化体のＰＯＭの濃度（Ｍ）が高くなるほど、ＯＲＰ（ｍＶ）は高くなる。ＯＲＰが高いほど、燃料電池１３の起電力は高くなるので、酸化体のＰＯＭの濃度が高いほど、燃料電池１３の起電力は高いことになる。したがって、燃料電池１３の出力を適切に維持するためには、酸化体のＰＯＭの濃度が一定値以上に保たれる必要がある。このため、制御装置１０は、ＯＲＰの値Ｅに基づいて、酸化体のＰＯＭの濃度が適正な範囲内にあるか否かを判定できる。
【００４１】
ｐＨメータ２４は、カソード溶液の水素イオン指数（つまりペーハー）Ｋを測定し、制御装置１０に通知する。制御装置１０は、水素イオン指数Ｋ（＝−Ｌｏｇ［Ｈ＋］）からカソード溶液内の還元体のＰＯＭ−Ｈの濃度を算出する。制御装置１０は、還元体のＰＯＭ−Ｈの濃度とＯＲＰの値Ｅに基づき、例えばネルンストの式を用いて、カソード溶液中の酸化体のＰＯＭの濃度を算出し、還元体のＰＯＭ−Ｈの濃度と酸化体のＰＯＭの濃度の合計Ｎ（以下、「合計ＰＯＭ濃度Ｎ」）を算出する。
【００４２】
このため、ｐＨメータ２４は、濃度測定部の一例として、再生装置２１から燃料電池１３のカソードに再供給されるカソード溶液内の合計ＰＯＭ濃度Ｎを測定する。合計ＰＯＭ濃度Ｎが高い場合、上述したようにカソード溶液の粘度が増加するため、溶液の循環のための圧損が増加し、システム効率が低下する。したがって、制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎに基づいてカソード溶液中の水分量が適正であるか否かを判定できる。
【００４３】
制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎ及びＯＲＰの値Ｅに基づき、制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成し、エアコンプレッサ３１及び背圧弁３３にそれぞれ出力する。つまり、制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎ及びＯＲＰの値Ｅに基づき、エアコンプレッサ３１から供給される空気の供給量及び背圧弁３３により調整される空気の背圧を制御する。
【００４４】
この制御に先立ち、制御装置１０は、空気の背圧を、酸素量のストイキ比及びカソード溶液の温度Ｔに応じた基準値に調整する。ストイキ比とは、再生装置２１における酸化反応のために必要な酸素の流量に対する酸素の供給流量の比であり、基準値とは、再生装置２１における生成水の生成速度及び排出速度を同一とするための背圧である。なお、酸素の供給流量は、再生装置２１で酸化反応が要求に対し十分に行われるように必要流量を上回るため、ストイキ比は１以上の値となる。しかし、過剰にストイキ比を高めても、空気供給のためのポンプ損失が増加するため、ストイキ比は、一例として、安定した酸化反応が可能な１〜５程度の値とすることが望ましい。
【００４５】
制御装置１０は、理論上、再生装置２１におけるＰＯＭの再生に必要十分な空気の流量に対する、フローメータ３２から通知された空気の流量Ｍの比から、酸素量のストイキ比Ｓを算出する。すなわち、制御装置１０は、フローメータ３２から通知された空気の流量Ｍ、及び温度センサ２２から通知されたカソード溶液の温度Ｔから算出した背圧の基準値に基づいて、背圧弁３３を制御する。なお、ＰＯＭの再生に必要十分な空気の流量は、燃料電池１３から引き出される電流値で決まるので、例えば要求値ＲＱなどから算出される。
【００４６】
図４は空気の背圧の基準値の一例を示すグラフである。図４において、横軸はカソード溶液の温度Ｔ（℃）を示し、縦軸は、基準となる空気の背圧（ｋＰａ）を示す。また、Ｓ＝α１〜α４は、酸素量のストイキ比を示す。なお、α１〜α４について、α１＜α２＜α３＜α４の関係が成立する。
【００４７】
背圧の基準値は、カソード溶液の温度Ｔが高くなるほど、高くなり、また、ストイキ比Ｓが高いほど、高くなる。制御装置１０は、例えば、図４に示されるような温度Ｔ、ストイキ比Ｓ、及び背圧の基準値の関係を、データとしてメモリなどの記憶手段に記憶しておき、温度Ｔとストイキ比Ｓから背圧の基準値を取得する。なお、基準値のデータは、例えば数値シミュレーションや実験により得られる。もっとも、制御装置１０は、このようなデータを用いることなく、温度Ｔとストイキ比Ｓから背圧の基準値を算出してもよい。
【００４８】
制御装置１０は、背圧を基準値に調整した後、合計ＰＯＭ濃度Ｎ及びＯＲＰの値Ｅに基づき、エアコンプレッサ３１の空気の供給量及び背圧弁３３の背圧を制御する。後述するように、制御装置１０は、ＯＲＰの値Ｅを所定の閾値Ｅｏと比較し、また、合計ＰＯＭ濃度Ｎを所定の閾値Ｎｔｈ，Ｎｔｈ’と比較し、各比較結果に応じ空気の供給量及び背圧の何れを制御するかを決定する。
【００４９】
制御装置１０は、背圧を制御する場合、合計ＰＯＭ濃度Ｎが閾値Ｎｔｈより高ければ、矢印Ｄ１で示されるように背圧を基準値Ｐから増加させる。これにより、再生装置２１からの水分の流出が抑制されるため、再生装置２１内の水分量が増加して、合計ＰＯＭ濃度Ｎが低下する。
【００５０】
また、制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎが閾値Ｎｔｈ’より低ければ、矢印Ｄ２で示されるように背圧を基準値Ｐから低下させる。これにより、再生装置２１からの水分の流出が促進されるため、再生装置２１内の水分量が減少して、合計ＰＯＭ濃度Ｎが増加する。なお、閾値Ｎｔｈ，Ｎｔｈ’は、例えばカソード溶液の粘度の適正値に基づき、予め決定されている。なお、閾値Ｅｏ，Ｎｔｈ，Ｎｔｈ’は、例えば、燃料電池１３に対する電力の要求値ＲＱやその他の運転条件に応じて変化してもよい。
【００５１】
このように、制御装置１０は、図４に示された各特性ライン（Ｓ＝α１〜α４）に基づき背圧を基準値とし、さらに合計ＰＯＭ濃度Ｎに応じて背圧を制御する。背圧が特性ラインより上方（矢印Ｄ１）に制御された場合、再生装置２１からの水分の排出が抑制され、背圧が特性ラインより下方（矢印Ｄ２）に制御された場合、再生装置２１からの水分の排出が促進される。これにより、制御装置１０は、カソード溶液内の合計ＰＯＭ濃度Ｎを制御する。なお、符号Ｐｒは、実用的な背圧の調整範囲を示している。
【００５２】
図５は燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。本動作は、例えば一定周期で繰り返し実行される。
【００５３】
まず、制御装置１０は、温度センサ２２により測定された温度Ｔを取得し、フローメータ３２により測定された流量Ｍから酸素量のストイキ比Ｓを取得する（ステップＳｔ１）。次に、制御装置１０は、温度Ｔとストイキ比Ｓから背圧の基準値を算出する（ステップＳｔ２）。上述したように、背圧の基準値は、例えば、図４に示されるような特性データから算出される。
【００５４】
次に、制御装置１０は、背圧弁３３に制御信号Ｓ２を出力することにより、背圧を基準値に制御する（ステップＳｔ３）。より具体的には、制御装置１０は、圧力メータ３４により測定された背圧Ｐｅが基準値となるように、背圧弁３３に制御信号Ｓ２を出力する。次に、制御装置１０は、ｐＨメータ２４により測定された水素イオン指数Ｋ及びＯＲＰメータ２３により測定されたＯＲＰの値Ｅを取得する（ステップＳｔ４）。次に、制御装置１０は、水素イオン指数Ｋ及びＯＲＰの値Ｅから合計ＰＯＭ濃度Ｎを算出する（ステップＳｔ４ａ）。
【００５５】
次に、制御装置１０は、ＯＲＰの値Ｅを所定の閾値Ｅｏと比較する（ステップＳｔ５）。これにより、制御装置１０は、カソード溶液中の酸化体のＰＯＭの濃度が適正な範囲内にあるか否かを判定する。
【００５６】
制御装置１０は、Ｅ＜Ｅｏの場合（ステップＳｔ５のＹｅｓ）、酸化体のＰＯＭの濃度が適正な範囲内にないと判定し、以下のステップＳｔ７及びＳｔ８の何れかの処理を実行することにより、再生装置２１におけるＰＯＭの酸化反応速度を増加させる。つまり、この場合、制御装置１０は、ＰＯＭの再生速度を増加させる。
【００５７】
また、制御装置１０は、Ｅ≧Ｅｏの場合（ステップＳｔ５のＮｏ）、酸化体のＰＯＭの濃度が適正な範囲内にあると判定し、以下のステップＳｔ１０及びＳｔ１１の何れかの処理を実行することにより、再生装置２１におけるＰＯＭの酸化反応速度を低下させる。つまり、この場合、制御装置１０は、ＰＯＭの再生速度を低下させる。
【００５８】
制御装置１０は、Ｅ＜Ｅｏの場合（ステップＳｔ５のＹｅｓ）、合計ＰＯＭ濃度Ｎを所定の閾値Ｎｔｈと比較する（ステップＳｔ６）。これにより、制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎの大小、つまりカソード溶液内の水分の過不足を判定する。
【００５９】
制御装置１０は、Ｎ＜Ｎｔｈの場合（ステップＳｔ６のＹｅｓ）、水分が過剰であると判定し、エアコンプレッサ３１に制御信号Ｓ１を出力することにより空気の供給量を増加させる（ステップＳｔ７）。空気の供給量が増加すると、再生装置２１からの水分の排出が促進されるため、カソード溶液内の合計ＰＯＭ濃度Ｎが増加する。また、空気の供給量が増加すると、再生装置２１内の酸素の分圧が増加するため、再生装置２１におけるＰＯＭの再生速度が増加する。したがって、カソード溶液中の酸化体のＰＯＭの濃度の低下によるＯＲＰの低下が防止され、燃料電池１３から出力される電力ＰＷの低下が防止される。
【００６０】
制御装置１０は、Ｎ≧Ｎｔｈの場合（ステップＳｔ６のＮｏ）、水分が不足していると判定し、背圧弁３３に制御信号Ｓ２を出力することにより空気の背圧を増加させる（ステップＳｔ８）。空気の背圧が増加すると、再生装置２１からの水分の排出が抑制されるため、カソード溶液内の合計ＰＯＭ濃度Ｎが低下する。したがって、合計ＰＯＭ濃度Ｎの増加に伴うカソード溶液の粘度の増加による溶液循環ポンプＰｏの圧損の増加が防止される。
【００６１】
また、この場合、エアコンプレッサ３１から再生装置２１に供給された空気は、背圧の増加により排出されにくくなるため、再生装置２１内の酸素量が増加することでＰＯＭの再生速度が増加する。このため、カソード溶液中の酸化体のＰＯＭの濃度が増加し、ＯＲＰが増加する。なお、制御装置１０は、再生装置２１内への空気の逆流を防止するため、背圧が臨界背圧を超えない範囲で背圧を増加させる。
【００６２】
また、制御装置１０は、Ｅ≧Ｅｏの場合（ステップＳｔ５のＮｏ）、合計ＰＯＭ濃度Ｎを所定の閾値Ｎｔｈ’と比較する（ステップＳｔ９）。これにより、制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎの大小、つまりカソード溶液内の水分の過不足を判定する。なお、閾値Ｎｔｈと閾値Ｎｔｈ’は同一であっても異なっていてもよい。
【００６３】
制御装置１０は、Ｎ＜Ｎｔｈ’の場合（ステップＳｔ９のＹｅｓ）、水分が過剰であると判定し、背圧弁３３に制御信号Ｓ２を出力することにより空気の背圧を低下させる（ステップＳｔ１０）。空気の背圧が低下すると、再生装置２１からの水分の排出が促進されるため、カソード溶液内の合計ＰＯＭ濃度Ｎが増加する。また、エアコンプレッサ３１から再生装置２１に供給された空気は、背圧の低下により排出されやすくなるため、再生装置２１内の酸素量が低下することでＰＯＭの再生速度が低下する。このため、カソード溶液中の酸化体のＰＯＭの濃度が低下し、ＯＲＰも低下する。
【００６４】
制御装置１０は、Ｎ≧Ｎｔｈ’の場合（ステップＳｔ９のＮｏ）、水分が不足していると判定し、エアコンプレッサ３１に制御信号Ｓ１を出力することにより空気の供給量を低下させる（ステップＳｔ１１）。空気の供給量が低下すると、再生装置２１内の酸素の分圧が低下するため、再生装置２１におけるＰＯＭの再生速度が低下する。したがって、カソード溶液中の酸化体のＰＯＭの濃度が低下し、ＯＲＰも低下する。このようにして、燃料電池システムは動作する。
【００６５】
このように、制御装置１０は、カソード溶液のＯＲＰ及び合計ＰＯＭ濃度Ｎの大小に応じて、空気の供給量または背圧の一方を増加制御または低下制御することにより、再生装置２１内のカソード溶液の水分量を適切に制御できる。このため、合計ＰＯＭ濃度Ｎは、適正な範囲内に制御される。
【００６６】
これまで述べたように、実施例に係る燃料電池システムは、燃料電池１３と、再生装置２１と、エアコンプレッサ３１と、背圧弁３３と、ｐＨメータ２４と、ＯＲＰメータ２３と、制御装置１０とを備える。燃料電池１３は、カソードに供給されたカソード溶液内のＰＯＭを、アノードに供給された水素ガスで還元することにより発電する。
【００６７】
再生装置２１は、カソードから排出されたカソード溶液内のＰＯＭ―Ｈを、空気内の酸素で酸化して、酸化されたＰＯＭを含むカソード溶液をカソードに再供給する。エアコンプレッサ３１は、空気を再生装置２１に供給する。背圧弁３３は、再生装置２１から排出される空気の圧力を調整する。ｐＨメータ２４は、再生装置２１からカソードに再供給されるカソード溶液内のＰＯＭ−ＨとＰＯＭの合計ＰＯＭ濃度Ｎを測定する。ＯＲＰメータ２３は、再生装置２１からカソードに再供給されるカソード溶液内のＰＯＭのＯＲＰを測定する。
【００６８】
制御装置１０は、ｐＨメータ２４により測定された合計ＰＯＭ濃度Ｎ及びＯＲＰメータ２３により測定されたＯＲＰの値Ｅに基づき、背圧弁３３により空気の圧力を制御する。
【００６９】
上記の構成によると、制御装置１０は、合計ＰＯＭ濃度Ｎ及びＯＲＰに基づき、背圧弁３３により空気の圧力を制御するため、ＯＲＰ及び合計ＰＯＭ濃度Ｎの大小に応じて、再生装置２１内で生ずるカソード溶液の水分量を適切に制御できる。このため、合計ＰＯＭ濃度Ｎは、適正な範囲内に制御される。これにより、カソード溶液の粘度の増加が防止されるため、カソードと再生装置の間におけるカソード溶液の循環のための圧損が増加することはない。
【００７０】
また、上記の構成には、比較例のような水分量調整装置３０（図１参照）が含まれていないので、燃料電池システムは大型化することはない。したがって、実施例に係る燃料電池システムによると、大型化することなく、カソード溶液の合計ＰＯＭ濃度Ｎを制御できる。
【００７１】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０      制御装置
１３      燃料電池
２１      再生装置
２３      ＯＲＰメータ
２４      ｐＨメータ
３１      エアコンプレッサ
３３      背圧弁
【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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