(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池の内部の濡れ状態を検知することなく、簡易な構造で、燃料電池の運転状態を最適に制御することができるようにする。【解決手段】制御部が起動して（Ｓ１００）、検知手段が、燃料電池に関する固有情報を記憶する記憶部から固有情報を検知する検知する（Ｓ１０１）。そして、検知手段が検知した固有情報に基づいて、燃料電池の内部の濡れ状態の特性を判断手段が判断し（Ｓ１０２）、判断手段により判断される濡れ状態の特性に応じて、制御手段が燃料電池に供給される流体を制御する（Ｓ１０３）。これにより、燃料電池の内部の濡れ状態を検知することなく、燃料電池の運転状態を最適に制御することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に関する固有情報を記憶する記憶部と、
前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記記憶部から前記固有情報を検知する検知手段と、
前記検知手段が検知した前記固有情報に基づいて、前記燃料電池の内部の濡れ状態の特性を判断する判断手段と、
前記判断手段により判断される前記濡れ状態の特性に応じて、前記燃料電池に供給される流体を制御して前記燃料電池の運転状態を最適に制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載に燃料電池システムにおいて、
前記濡れ状態が相対的に高くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に増加させ、
前記濡れ状態が相対的に低くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に低下させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段により制御される前記流体は、燃料ガス、酸化ガスおよび冷却液の少なくとも１つである、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟み、それをさらに２枚のセパレータで挟み込んで構成される単電池を複数積層した電池積層体であり、
前記燃料電池に関する固有情報は、前記電池積層体に関する固有情報である、
ことを特徴と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】
燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通して電気化学反応により必要な電力を取り出すことができる装置である。この電気化学反応は、適当な湿度を要する。例えば、酸化ガスが乾きすぎて湿度が低くなりすぎると、いわゆるドライアップが生じて十分な電気化学反応が進行せず、逆に酸化ガスの湿度が高くなりすぎると、いわゆるフラッティングが生じて電気化学反応の進行が低下する。
【０００３】
ドライアップとは、電解質膜に含まれる水分が減少し、電解質膜が乾燥することを指す。ドライアップの状態になると、水素イオンが電解質膜を移動するための水が不足することから、水素イオンが電解質膜を透過するときの電気抵抗が大きくなり、電気化学反応の進行が低下する。
【０００４】
また、フラッティングとは、狭義では、燃料電池を構成するガス拡散層が水で覆われることを指すことが多いが、広義では、ガス拡散層のほかに触媒層、セパレータなども含み、燃料電池のカソード側またはアノード側の少なくとも一方において、ガス流路が水で覆われることを指す。フラッティングの状態になると、ガス流路が水に覆われることから、酸化ガスあるいは燃料ガスが十分に電解質膜などに供給されず、電気化学反応の進行が低下する。
【０００５】
このように、ドライアップやフラッティングが生じると、燃料電池の電気化学反応が十分に行なわれなくなる。そこで、これらの状態になることを防止または抑制するために、燃料電池の湿度などの管理が行なわれる。
【０００６】
下記特許文献１には、燃料電池の内部の濡れ状態を検知する濡れ状態検知手段の検知信号に基づいて、燃料電池の内部、例えば酸化剤極が濡れ状態であるか、乾き状態であるか否かを判定する燃料電池システムが記載されている。そして、この燃料電池システムが、濡れ状態の判定に応じて、湿分調整手段によってガスを燃料電池に供給し、燃料電池の内部の湿分を調整することが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池の濡れ状態が相対的に高いと判定した場合、燃料電池に供給されるガスの乾燥力を相対的に増加させてフラッティング状態を抑制する。一方、燃料電池の濡れ状態が相対的に低いと判定した場合、燃料電池に供給されるガスの乾燥力を低下させてドライアウト（ドライアップ）を抑制する。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２７６７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の燃料電池システムにおいては、濡れ状態検知手段が燃料電池の内部の濡れ状態を検知し、その検知結果に基づいて燃料電池の内部の湿分を適切な状態に制御することができる。このように、燃料電池の内部の湿分を適切な状態に制御する場合、現状の濡れ状態を検知する検知手段が必要とされる。しかしながら、検知手段を燃料電池に設けることにより、構成が複雑になり、製造工数が増加してしまう。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池の内部の濡れ状態を検知することなく、簡易な構造で、燃料電池の運転状態を最適に制御することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に関する固有情報を記憶する記憶部と、前記燃料電池の運転を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記記憶部から前記固有情報を検知する検知手段と、前記検知手段が検知した前記固有情報に基づいて、前記燃料電池の内部の濡れ状態の特性を判断する判断手段と、前記判断手段により判断される前記濡れ状態の特性に応じて、前記燃料電池に供給される流体を制御して前記燃料電池の運転状態を最適に制御する制御手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、前記濡れ状態が相対的に高くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に増加させ、前記濡れ状態が相対的に低くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に低下させることができる。
【００１２】
また、前記制御手段により制御される前記流体は、燃料ガス、酸化ガスおよび冷却液の少なくとも１つであることが好適である。
【００１３】
さらに、前記燃料電池は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟み、それをさらに２枚のセパレータで挟み込んで構成される単電池を複数積層した電池積層体であり、前記燃料電池に関する固有情報は、前記電池積層体に関する固有情報であることが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部の濡れ状態を検知することなく、簡易な構造で、燃料電池の運転状態を最適に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図を用いて説明する。一例として、燃料電池が発電した電力で走行する自動車、すなわち燃料電池自動車を挙げ、この自動車に搭載される燃料電池システムについて説明する。なお、本発明は燃料電池自動車に限らず、移動体（例えば、船舶や飛行機など）または定置型電源に用いられる燃料電池システムにも適用可能である。
【００１６】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、２種の反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池１２を有する。なお、本実施形態の燃料電池システム１０に使用される燃料ガスは水素であり、酸化ガスは酸素を含む空気である。
【００１７】
燃料電池１２には、これの燃料極（図示せず）に燃料ガスを供給する燃料ガス管路１４と、燃料電池１２の空気極（図示せず）に酸化ガスを供給する酸化ガス管路１６とが接続されている。
【００１８】
また、燃料電池１２には、燃料極から排出されるアノードオフガスを燃料ガス管路１４に戻し、そのアノードオフガスを燃料電池１２に循環させる循環管路１８と、空気極から排出される排出酸化ガスを後述する希釈装置３６を介して外部へ放出する排出管路２０とが接続されている。
【００１９】
燃料電池システム１０は、燃料ガスを燃料電池１２に供給する供給源として、貯蔵タンク２２を有する。貯蔵タンク２２は、燃料ガスを高圧状態にして貯蔵する。貯蔵タンク２２と燃料電池１２とは、燃料ガス管路１４で接続される。燃料ガス管路１４には、貯蔵タンク２２の近傍に燃料ガス制御弁２４が取り付けられている。燃料ガス制御弁２４は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、貯蔵タンク２２から燃料電池１２に供給される燃料ガスの流量および圧力を制御する。
【００２０】
また、燃料ガス管路１４には、燃料ガス制御弁２４の下流側に循環管路１８が接続されている。循環管路１８には、燃料電池１２から燃料ガス管路１４に接続する部分までの間に、気液分離装置２６と循環装置２８とが順に設けられている。燃料電池１２から排出されるアノードオフガスには、未反応の燃料ガスと、電気化学反応により生成される水（水蒸気も含む）とが含まれる。気液分離装置２６は、アノードオフガスに含まれる水を分離する。循環装置２８は、ポンプ（図示せず）を内蔵し、このポンプの動作により、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを燃料ガス管路１４に送り出す。
【００２１】
燃料電池１２の空気極の入口側に接続する酸化ガス管路１６は、その端部を外部に開放している。酸化ガス管路１６には、空気ポンプ３０と加湿装置３２とが設けられている。加湿装置３２は、酸化ガス管路１６を流れる酸化ガスに水分を加え加湿する装置であり、その内部に給水弁３４を収容する。給水弁３４は、開度を調整して加湿する水分量を調整可能なバルブであり、例えば、ストップ弁、ボール弁及びゲート弁である。空気ポンプ３０の動作により、外部から加湿装置３２を介して燃料電池１２に空気が供給される。このとき、加湿装置３２により加湿量が制御され、空気が適切に加湿される。
【００２２】
一方、燃料電池１２の空気極の出口側に接続する排出管路２０は、その端部を外部に開放している。排出管路２０には、上流から酸化ガス制御弁３８、そして希釈装置３６が順に取り付けられている。酸化ガス制御弁３８は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、燃料電池１２から排出される排出酸化ガスの圧力を制御する。酸化ガス制御弁３８は、開度を調整可能なバルブであり、例えば、バタフライ弁、ストップ弁及びボール弁である。
【００２３】
希釈装置３６は、燃料電池１２の空気極の出口側に排出管路２０を介して接続しており、気液分離装置２６に放出管路４０を介して接続している。放出管路４０の途中、すなわち気液分離装置２６と希釈装置３６との間には、放出弁４２が取り付けられている。通常時、放出弁４２を開状態にすることにより、気液分離装置２６においてアノードオフガスから分離した水が放出管路４０を介して希釈装置３６に導入され、排出管路２０から外部に排出される。一方、水素パージ時には、放出弁４２を開状態にすることにより、気液分離装置２６から放出管路４０を介して希釈装置３６にアノードオフガスが導入される。そして、希釈装置３６の内部において、アノードオフガスと燃料電池１２から排出される排出酸化ガスとが混合してアノードオフガスが希釈される。希釈されたアノードオフガスは、排出管路２０から外部に排出される。アノードオフガスは、本実施形態においては水素であり可燃性ガスであるので、希釈装置３６を通過せずにそのまま外部に排出されると何らかの火種により燃焼してしまう危険性がある。そこで、上述したような希釈装置３６によりアノードオフガスを希釈して外部に排出することにより、アノードオフガスの濃度を燃焼限界より低くし、そのような危険性を未然に防止している。
【００２４】
ところで、燃料電池１２は電気化学反応により発熱する。この熱は冷却系の冷却液により除去される。冷却系は、冷却液を冷却する熱交換器４４と、冷却液を循環させる冷却ポンプ４６と、これらの機器と燃料電池１２を順に接続し、冷却液が循環する冷却管路４８とを有する。冷却ポンプ４６の動作により、冷却管路４８を循環する冷却液が、熱交換器４４で冷却され、冷却された冷却液が燃料電池１２に送られ、そこで発生する熱を除去し、燃料電池１２の温度が管理される。
【００２５】
また、冷却管路４８は、熱交換器４４を迂回するバイパス管路５０を有している。バイパス管路５０の両端は、燃料電池１２と熱交換器４４とを結ぶ冷却管路４８と、熱交換器４４と冷却ポンプ４６とを結ぶ冷却管路４８とにそれぞれ接続している。バイパス管路５０の一端であって、熱交換器４４と冷却ポンプ４６とを結ぶ冷却管路４８に接続する部分には、三方弁５２が設けられている。三方弁５２は、その開度を調整することにより、熱交換器４４を流れる冷却液の流量を調整する。三方弁５２の動作により、熱交換器４４を流れる冷却液の流量を増加させると、冷却液が良好に冷却され、燃料電池１２に対する冷却効果が増大する。一方、熱交換器４４を流れる冷却液の流量を減少、すなわちバイパス管路５０を流れる冷却液の流量を増加させると、冷却液が冷却され難くなり、燃料電池１２に対する冷却効果が低減する。
【００２６】
燃料電池１２の構成について図２を用いて説明する。図２は、単電池の概略構成を示す図である。燃料電池１２は、単電池６０を複数積層した電池積層体である。単電池６０は、図に示すように、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）６２を二つのセパレータ６４，６６で挟み込んで構成される。ＭＥＡ６２は、電解質膜６８と、この電解質膜６８の両面に配置されるガス拡散電極７０，７２とから構成されている。電解質膜６８は、例えばフッ素樹脂などの固体高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である。ガス拡散電極７０，７２は、炭素繊維からなる糸で織ったカーボンクロスにより電解質膜６８に比べ一回り小さく形成されている。このガス拡散電極７０，７２の電解質膜６８側の表面には、触媒として白金または白金と他の金属からなる合金などを担持した触媒電極７４，７６が形成されている。セパレータ６４，６６は、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンからなり、外観的には略四角形状に形成されると共に単電池６０の隔壁をなす。セパレータ６４のガス拡散電極７０側の表面には燃料ガス流路７８が形成され、セパレータ６６のガス拡散電極７２側の表面には酸化ガス流路８０が形成される。ＭＥＡ６２を挟み込んでいる二つのセパレータ６４，６６の間隔のうちガス拡散電極７０，７２の存在しない箇所にはシール材８２が設けられている。このシール材８２は、燃料ガスや酸化ガスのリークを防止したり、この箇所での両ガスの混合を防止したりする役割を果している。
【００２７】
ガス拡散電極７０は、燃料ガス流路７８から燃料ガスとしての水素が供給される燃料極である。ガス拡散電極７０においては、水素分子（Ｈ2）からプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ)が生成する。一方、ガス拡散電極７２は、酸化ガス流路８０から酸化ガスとしての空気が供給される空気極である。ガス拡散電極７２においては、酸素分子（Ｏ2）とプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ）とが反応して水（Ｈ2Ｏ）が生成する。また、ガス拡散電極７０で生成したプロトンおよび電子のうち、プロトンは電解質膜６８を通ってガス拡散電極７２へ移動し、電子は図示しない外部経路を通ってガス拡散電極７２へ移動する。このとき、両電極７０，７２間に起電力が生ずる。燃料電池１２は、単電池６０の起電力が１Ｖ程度であるため、この単電池６０を複数直列接続することにより所望の電圧値を出力するように構成される。
【００２８】
図１に戻り、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に関する固有情報を記憶する記憶部５４と、燃料電池１２の運転を制御する制御部５６とを有する。燃料電池１２に関する固有情報とは、電池積層体に関する固有情報のことである。具体的には、図２を用いて説明した電解質膜６８、ガス拡散電極７０，７２、触媒電極７４，７６およびセパレータ６４，６６などの材質、形状、製造条件、製品名などのことである。あるいは、いつどのような修理を受けたなどのメンテナンス情報を含んでもよい。
【００２９】
制御部５６は、燃料電池システム１０を構成する上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＥＣＵと呼ばれることがある。特に本実施形態においては、燃料電池１２の内部の濡れ状態を良好に維持し、燃料電池１２の運転状態を最適に制御する機能を有する。具体的には、記憶部５４から燃料電池１２に関する固有情報を検知する検知手段と、この手段が検知した固有情報に基づいて、燃料電池１２の内部の濡れ状態の特性を判断する判断手段と、この手段により判断される濡れ状態の特性に応じて、燃料電池１２に供給される流体を制御して燃料電池１２の運転状態を最適に制御する制御手段とを含んで構成される。
【００３０】
制御部５６の制御動作の一例について図３のフローチャートを用いて説明する。
【００３１】
まず、ステップＳ１００において、制御部５６が起動する。そして、ステップＳ１０１において、記憶部５４から燃料電池１２に関する固有情報が検知される。
【００３２】
続いて、ステップＳ１０２において、検知された固有情報に基づいて燃料電池１２の内部の濡れ状態の特性が判断される。濡れ状態の特性は、予め実験により求めることができる。例えば、ガス拡散電極７０，７２と接着剤との材質の相性から撥水性が良好であるか否かにより、濡れ状態の特性が判断される。撥水性が良好であれば、濡れ状態が相対的に低くなると判断され、逆に撥水性が良好でなければ、濡れ状態が相対的に高くなると判断される。
【００３３】
次に、ステップＳ１０３において、燃料電池１２の運転状態が最適になるように、燃料電池１２に供給される流体が制御されて、制御部５６の制御動作が終了する。このステップＳ１０３において、制御部５６は、濡れ状態が相対的に高くなると判断された場合、流体による乾燥力を相対的に増加させる。一方、濡れ状態が相対的に低くなると判断された場合、流体による乾燥力を相対的に低下させる。ここで、流体とは、燃料ガス、酸化ガス、そして冷却液のことである。流体の乾燥力とは、例えば、その流体の流量、圧力、加湿量、温度、またはそれらの要素の組み合わせのことである。
【００３４】
ステップＳ１０３における制御であって、空気極の濡れ状態が相対的に高くなると判断された場合の制御について以下に詳述する。
【００３５】
制御部５６は、空気極の濡れ状態が相対的に高くなると判断された場合、流体による乾燥力を相対的に増加させる。
【００３６】
具体的には、制御部５６が空気ポンプ３０の出力を制御し、空気極に供給される酸化ガスの流量を増加させる。空気極において酸化ガスの流量が増加することにより、空気極に溜まっている水分を効果的に気化させ乾燥させることができ、乾燥力を増加させることができる。
【００３７】
また、制御部５６が酸化ガス制御弁３８の開度を制御し、空気極から排出される排出酸化ガスの圧力（背圧）を低下させる。排出酸化ガスの圧力が低下することにより、空気極に溜まっている水分を効果的に気化させ乾燥させることができ、上述と同様に乾燥力を増加させることができる。
【００３８】
また、制御部５６が給水弁３４の開度を制御し、加湿装置３２から酸化ガスに加湿される水分量を低下させる。これにより、空気極に新たに供給される水分量が低下するので、空気極に溜まる水分の増加を抑制することができる。結果として、乾燥力を増加させることができる。
【００３９】
さらに、制御部５６が三方弁５２の開度を制御し、燃料電池１２に供給される冷却液の温度を上昇させる。これにより、燃料電池１２の内部の温度が上昇するので、空気極に溜まる水分を効果的に気化させて乾燥させることができ、乾燥力を増加させることができる。また、制御部５６が冷却ポンプ４６の出力を制御し、燃料電池１２に供給される冷却液の流量を減少させることもできる。これによっても、燃料電池１２の内部の温度が上昇するので、乾燥力を増加させることができる。
【００４０】
このように、制御部５６が燃料電池システム１０の特定の要素を制御し、各流体の乾燥力を相対的に増加させることにより、空気極の濡れ状態を相対的に低下させることができる。
【００４１】
一方、空気極の濡れ状態が相対的に低いと判断された場合においては、制御部５６は、上述した動作とは逆の動作をさせることで、流体による乾燥力を相対的に低下させる。具体的な動作は、以下の通りである。空気ポンプ３０の制御により、空気極に供給される酸化ガスの流量を減少させる。また、酸化ガス制御弁３８の制御により、排出酸化ガスの圧力を増加させる。また、給水弁３４の制御により、加湿装置３２から酸化ガスに加湿される水分量を増加させる。さらに、三方弁５２や冷却ポンプ４６の制御により、燃料電池１２に供給される冷却液の温度を低下させる。
【００４２】
このように、制御部５６が燃料電池システム１０の特定の要素を制御し、各流体の乾燥力を相対的に低下させることにより、空気極の濡れ状態を相対的に増加させることができる。
【００４３】
本実施形態においては、空気極の濡れ状態の特性による対応について説明したが、燃料極の濡れ状態の特性についても同様の対応をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】単電池の概略構成を示す図である。
【図３】制御部の制御動作の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池、１４  燃料ガス管路、１６  酸化ガス管路、１８  循環管路、２０  排出管路、２６  気液分離装置、３０  空気ポンプ、３２  加湿装置、３４  給水弁、３６  希釈装置、３８  酸化ガス制御弁、４０  放出管路、４６  冷却ポンプ、５２  三方弁、５４  記憶部、５６  制御部。
【図１】
2009134977.tif 000003
【図２】
2009134977.tif 000004
【図３】
2009134977.tif 000005