JP2015185406A - 燃料電池システム及び燃料電池の水分量制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池のアノード側のガス流路に水が溜まることを抑制する。【解決手段】燃料電池の水分量を制御する燃料電池システムは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池と、アノード側に存在する水分量を推定する推定部と、推定部により推定されたアノード側の水分量が閾値以上である場合に、アノード側に流れるアノードガスの流量を所定の量に維持し、かつ、カソード側に流れるカソードガスの流量を所定の量未満にする制御部と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の水分量制御方法に関する。
燃料電池のセルでは、効率よく発電を行うために、セルに含まれる水の量を適切な量にすることが望ましい。セルに含まれる水の量を適切な量にするために、電解質膜を介してアノード電極とカソード電極との間で行われる水の移動を考慮して、各単セルの面内における反応ガス流路の水の量及び電解質膜に含まれる水の量を推定し、推定された水の量が所定の値を超える場合に、燃料電池を掃気処理した後、燃料電池から取り出す電流を制限する技術が開示されている（特許文献１）。
しかし、一般的に、アノード側のガス流量はカソード側のガス流量に比較して少ない。そのため、特許文献１の技術では、アノード側のガス流路に一旦水が溜まった場合に、溜まった水の除去が困難になる場合があるという問題があった。アノード側のガス流路に水が溜まると、アノードガスが流れにくくなり、燃料電池の出力の低下の要因になる。よって、アノード側のガス流路に水が溜まることを抑制可能な技術が求められていた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の水分量を制御する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池と；前記アノード側に存在する水分量を推定する推定部と；前記推定部により推定された前記アノード側の水分量が閾値を超えた場合に、前記アノード側に流れるアノードガスの流量を所定の量に維持し、かつ、前記カソード側に流れるカソードガスの流量を所定の量未満にする制御部と、を備える。このような形態の燃料電池システムであれば、アノード側の水分量が閾値を超えた場合に、カソード側のガス流量を少なくするので、カソード側からアノード側に移動する水の量に対して、アノード側からカソード側に移動する水の量を多くすることができる。そのため、アノード側のガス流路に水が溜まることを抑制することができる。
（２）上記形態において、前記燃料電池が複数積層されたスタックを備え；前記推定部は、前記スタックの端部における前記燃料電池であって、前記アノードが前記燃料電池スタックの外側を向いた燃料電池の水分量に基づいて、前記アノード側の水分量を推定してもよい。スタックの端部は、他の部分と比較して、水分量が増加しやすい。また、アノードがスタックの外側を向いた燃料電池では、アノードの温度がカソードの温度に比べてより低下しやすい。そのため、アノードがスタックの外側を向いた燃料電池の水分量を、アノード側の水分量として推定することにより、簡易にアノード側の水分量を推定することができる。
（３）上記形態において、前記推定部は、前記燃料電池の電圧変動に基づいて、前記アノード側の水分量を推定してもよい。このような燃料電池システムであれば、燃料電池の電圧変動に基づいてアノード側の水分量を推定することができる。
本発明は、上述した燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の水分量制御方法等の形態で実現することができる。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、電気自動車に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、電気自動車に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。
燃料電池システム１００は、燃料電池２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、制御部７０と、を備える。
燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０は、複数のセル２１が積層されて構成されたスタック２１ｓにより構成されている。スタック２１ｓの端部におけるセル２１ａ、２１ｂは、それぞれエンドプレート２５と接している。セル２１ａはアノードがスタック２１ｓの外側を向いたセルであり、セル２１ｂは、アノードがスタック２１ｓの内側を向いたセルである。
各セル２１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ）１０と、ＭＥＡ１０の一方の面に微細多孔質層（Micro Porous Layer、ＭＰＬ）１４を介して接合されたアノード側ガス拡散層１６と、もう一方の面にＭＰＬ１５を介して接合されたカソード側ガス拡散層１７と、を備える膜電極ガス拡散層接合体（Membrane-Electrode＆Gas Diffusion Layer Assembly、ＭＥＧＡ２２）を備える。ＭＥＧＡ２２のアノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７は、それぞれ、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９と隣接している。アノード側ガス拡散層１６とアノード側セパレータ１８との間には、アノードガス流路２４が形成されている。カソード側ガス拡散層１７とカソード側セパレータ１９との間には、カソードガス流路２６が形成されている。
ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ形成されたアノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３と、を備える。電解質膜１１は、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜１１は、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。アノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３は、水素と酸素との化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。
ＭＰＬ１４、１５は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料とを用いて構成された微細孔を有する。ＭＰＬ１４、１５は、ＭＥＡ１０内の湿潤状態を保持するとともに、燃料電池２０の発電中に、アノード側触媒層１２及びカソード側触媒層１３や、アノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７の細孔が、化学反応により生じた水によって閉塞されることを抑制する。
アノード側ガス拡散層１６及びカソード側ガス拡散層１７は、例えば、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発泡金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材によって構成される。
アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９は、導電性及びガス不透過性を有する板状部材であり、例えば、金属板によって構成される。
アノードガス流路２４は、アノードガス供給系５０及びアノードガス排出系６０と接続されている。カソードガス流路２６は、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０と接続されている。セル２１には、カソードガス供給系３０から配管３１を介してカソードガス（例えば空気）が供給され、アノードガス供給系５０から配管５１を介してタンク５２内のアノードガス（例えば水素）が供給される。また、複数のセル２１において反応済みのガスや反応に供されなかったガスは、配管４１、６１を介して、カソードガス排出系４０及びアノードガス排出系６０から排出される。
なお、本実施形態では、電解質膜１１に対して、アノード側触媒層１２から、ＭＰＬ１４、アノード側ガス拡散層１６、アノード側セパレータ１８、アノードガス流路２４までを「アノード側」といい、電解質膜１１に対して、カソード側触媒層１３から、ＭＰＬ１５、カソード側ガス拡散層１７、カソード側セパレータ１９、カソードガス流路２６までを「カソード側」という。燃料電池２０内において発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によってカソード側に水が生成される。
制御部７０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭにロードして実行することで、推定部７１及び流量制御部７２として機能する。制御部７０は、例えば、燃料電池２０の発電終了時や、燃料電池２０の発電休止時（例えば、燃料電池２０が搭載された車両のギアがパーキングレンジであるとき）などに、後述の水分量制御処理を実行する。水分量制御処理において、推定部７１は、アノードガス流路２４における水詰まりの発生を推定する。第１実施形態では、推定部７１は、燃料電池２０内のアノード側に存在する水分量（以下、アノード水分量Ｗａともいう）を推定する。また、推定部７１は、アノード側からカソード側へ移動した水分量（以下、移動水分量Ｗａｃともいう）を推定する。流量制御部７２は、推定部７１によって推定されたアノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上である場合に、アノードガス流量を、燃料電池の通常の発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を燃料電池の通常の発電時におけるカソードガス流量未満に制御する。制御部７０のＲＯＭには、アノード水分量Ｗａや移動水分量Ｗａｃの推定等に用いられる各種マップが格納されている。
Ａ２．水分量制御処理：
図２は、燃料電池システム１００による燃料電池の水分量制御処理を示すフローチャートである。水分量制御処理が開始されると、制御部７０の推定部７１は、各セル２１のアノード水分量Ｗａを推定する（ステップＳ１００）。アノード水分量Ｗａの推定は、例えば、特開２００７−５２９３６号公報や、特開２００７−５２９３７号公報、特開２００９−２５９４１８号公報に記載の公知の方法により行うことができる。具体的には、ステップＳ１００において、推定部７１は、アノード水分量Ｗａの積算値を一旦リセットする。そして、各セル２１において生成される水分量や、セル２１内へ流入する水分量、セル２１から排出される水分量、ガス流量などの種々のパラメータに基づいて、各セル２１内に積算されるアノード水分量Ｗａを推定する。なお、推定部７１は、公知の低周波インピーダンス法により、アノード水分量Ｗａを推定してもよい。
図２は、燃料電池システム１００による燃料電池の水分量制御処理を示すフローチャートである。水分量制御処理が開始されると、制御部７０の推定部７１は、各セル２１のアノード水分量Ｗａを推定する（ステップＳ１００）。アノード水分量Ｗａの推定は、例えば、特開２００７−５２９３６号公報や、特開２００７−５２９３７号公報、特開２００９−２５９４１８号公報に記載の公知の方法により行うことができる。具体的には、ステップＳ１００において、推定部７１は、アノード水分量Ｗａの積算値を一旦リセットする。そして、各セル２１において生成される水分量や、セル２１内へ流入する水分量、セル２１から排出される水分量、ガス流量などの種々のパラメータに基づいて、各セル２１内に積算されるアノード水分量Ｗａを推定する。なお、推定部７１は、公知の低周波インピーダンス法により、アノード水分量Ｗａを推定してもよい。
次に、制御部７０は、推定部７１により推定された各セル２１のアノード水分量Ｗａが、予めＲＯＭに記憶されたアノード水分量Ｗａの閾値Ｔａ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。いずれかのセル２１において推定されたアノード水分量Ｗａが、閾値Ｔａ未満である場合には（ステップＳ１０２：ＮＯ）、推定部７１は、引き続きアノード水分量Ｗａを推定する（ステップＳ１００）。一方、セル２１において推定されたアノード水分量Ｗａが、閾値Ｔａ以上である場合には（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、流量制御部７２は、アノードガス流路２４において水詰まりが発生していると推定し、アノードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるカソードガス流量未満に制御する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４では、例えば、流量制御部７２は、カソードガス流量を通常発電時から２〜４割減少させる。
次に、制御部７０の推定部７１は、アノード側からカソード側へ移動した水分量（移動水分量Ｗａｃ）を推定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６では、推定部７１は、例えば、各セル２１における電流値を測定し、測定した電流値に基づいて、アノード側からカソード側へ移動した移動水分量Ｗａｃを推定する。
次に、制御部７０は、推定部７１により推定された移動水分量Ｗａｃが、予めＲＯＭに記憶された閾値Ｔａｃ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。閾値Ｔａｃは、アノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ未満となる値である。推定された移動水分量Ｗａｃが、閾値Ｔａｃ未満である場合には（ステップＳ１０８：ＮＯ）、流量制御部７２は、アノードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を２０の通常発電時におけるカソードガス流量未満に制御する（ステップＳ１０４）。また、推定部７１は、引き続き移動水分量Ｗａｃを推定する（ステップＳ１０６）。一方、推定された移動水分量Ｗａｃが閾値Ｔａｃ以上である場合には（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部７０は、水分量制御処理を終了する。
Ａ３．効果：
次に、上述した水分量制御処理が行われることによる効果について説明する。
図３は、水分量制御処理が行われない場合における、アノードＡｎとカソードＣｎとの間の水の移動を模式的に示す説明図である。水分量制御処理が行われない場合には、図３に示すように、アノードＡｎにおいては以下の式（１）に示す反応によりプロトンが生成する。また、カソードＣｎにおいては以下の式（２）に示す反応によって水が生成する。
次に、上述した水分量制御処理が行われることによる効果について説明する。
図３は、水分量制御処理が行われない場合における、アノードＡｎとカソードＣｎとの間の水の移動を模式的に示す説明図である。水分量制御処理が行われない場合には、図３に示すように、アノードＡｎにおいては以下の式（１）に示す反応によりプロトンが生成する。また、カソードＣｎにおいては以下の式（２）に示す反応によって水が生成する。
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ・・・式（１）
２Ｈ+ ＋ Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
２Ｈ+ ＋ Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
このとき、式（１）に示す反応によって生成するプロトンに付随して、アノードＡｎからカソードＣｎに水が移動する。なお、移動した水のうち一部は、アノードＡｎとカソードＣｎとの水の濃度差によって、カソードＣｎからアノードＡｎに戻る。
一般的に、アノードガス流量はカソードガス流量と比較して少ないため、一旦アノード側に水が溜まると、アノードガスはアノードＡｎに供給され難くなる。そうすると、上述の式（１）の反応の進行が抑制されるため、アノードＡｎからカソードＣｎへのプロトンに付随した水の移動が生じ難くなり、アノード側に溜まった水の除去が困難になる。このような場合には、燃料電池の出力が低下するおそれがある。
図４は、水分量制御処理が行われる場合における、アノードＡｎとカソードＣｎとの間の水の移動を模式的に示す説明図である。水分量制御処理において、アノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上の場合には、アノードガス流量は、通常の発電時におけるアノードガス流量に維持され、カソードガス流量は、通常の発電時におけるカソードガス流量未満に制御される。そのため、上述の式（２）の反応の進行が抑制されるので、カソードＣｎで生成される水が減少する。また、カソードＣｎで生成される水が減少するため、濃度差によるカソードＣｎからアノードＡｎへの水の移動が減少する。一方、アノードＡｎからカソードＣｎには、上述の式（１）の反応によって生成するプロトンに付随して、水が移動する。このようにして、アノードＡｎ側からカソードＣｎ側への水の移動が促進されるので、アノードＡｎ側の水分量を減少させることができる。そのため、本実施形態によれば、アノードガス流路２４に水が溜まることを抑制することができるので、燃料電池の出力の低下を抑制することができる。
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
上述の実施形態では、推定部７１は、各セル２１において生成される水分量や、セル２１内へ流入する水分量、セル２１から排出される水分量、ガス流量などの種々のパラメータに基づいて、各セル２１内に積算されるアノード水分量Ｗａを推定した。これに対し、本実施形態では、推定部７１は、所定の電流（例えば、０．５〜１．５Ａ／ｃｍ2）において、所定の時間（例えば、１０秒）における各セル２１の電圧変動（以下、電圧ばらつきＶｄｅｖともいう）を記録する。推定部７１は、この電圧変動に基づき、アノードガス流路２４における水詰まりを推定する。各セル２１の電圧変動に基づき水詰まりを推定可能なのは、アノードガス流路２４に水が溜まると、ガスが十分に流れなくなり、その結果、ガス不足が生じて電圧が低下するためである。なお、本実施形態における燃料電池システム１００のその他の構成は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
上述の実施形態では、推定部７１は、各セル２１において生成される水分量や、セル２１内へ流入する水分量、セル２１から排出される水分量、ガス流量などの種々のパラメータに基づいて、各セル２１内に積算されるアノード水分量Ｗａを推定した。これに対し、本実施形態では、推定部７１は、所定の電流（例えば、０．５〜１．５Ａ／ｃｍ2）において、所定の時間（例えば、１０秒）における各セル２１の電圧変動（以下、電圧ばらつきＶｄｅｖともいう）を記録する。推定部７１は、この電圧変動に基づき、アノードガス流路２４における水詰まりを推定する。各セル２１の電圧変動に基づき水詰まりを推定可能なのは、アノードガス流路２４に水が溜まると、ガスが十分に流れなくなり、その結果、ガス不足が生じて電圧が低下するためである。なお、本実施形態における燃料電池システム１００のその他の構成は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
Ｂ２．水分量制御処理：
図５は、第２実施形態における水分量制御処理を示すフローチャートである。水分量制御処理が開始されると、制御部７０の推定部７１は、所定の電流における各セル２１の電圧ばらつきＶｄｅｖを記録する（ステップＳ２００）。
図５は、第２実施形態における水分量制御処理を示すフローチャートである。水分量制御処理が開始されると、制御部７０の推定部７１は、所定の電流における各セル２１の電圧ばらつきＶｄｅｖを記録する（ステップＳ２００）。
次に、制御部７０は、電圧ばらつきＶｄｅｖが、予めＲＯＭに記憶された閾値Ｔｖ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。いずれかのセル２１において、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ未満である場合には（ステップＳ２０２：ＮＯ）、推定部７１は、引き続き電圧ばらつきＶｄｅｖを記録する（ステップＳ２００）。一方、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上である場合には（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、流量制御部７２は、アノードガス流路２４において水詰まりが発生していると推定し、アノードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を２０の通常発電時におけるカソードガス流量未満に制御する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４では、例えば、流量制御部７２は、カソードガス流量を通常発電時から２〜４割減少させる。
次に、制御部７０は、推定部７１により測定された電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ未満であるか否かを判断する（ステップＳ２０８）。電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上である場合には（ステップＳ２０８：ＮＯ）、流量制御部７２は、引き続きアノードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるカソードガス流量未満に制御する（ステップＳ２０４）。一方、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ未満である場合には（ステップＳ２０８：ＹＥＳ）、制御部７０は、水分量制御処理を終了する。
Ｂ３．効果：
本実施形態では、推定部７１は、電圧ばらつきＶｄｅｖを測定する。そして、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上の場合には、アノードガス流量を、通常の発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を、通常の発電時におけるカソードガス流量未満に制御する。そのため、第１実施形態と同様に、アノードガス流路２４に水が溜まることを抑制し、燃料電池の出力の低下を抑制することができる。
本実施形態では、推定部７１は、電圧ばらつきＶｄｅｖを測定する。そして、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上の場合には、アノードガス流量を、通常の発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を、通常の発電時におけるカソードガス流量未満に制御する。そのため、第１実施形態と同様に、アノードガス流路２４に水が溜まることを抑制し、燃料電池の出力の低下を抑制することができる。
なお、上記第２実施形態では、制御部７０のＲＯＭに、電圧ばらつきＶｄｅｖとアノード水分量Ｗａとの関係を記したマップを記憶させておき、推定部７１は、このマップに基づき、アノード水分量Ｗａを推定し、推定されたアノード水分量Ｗａと、予めＲＯＭに記録された閾値とを比較してアノードガス流路２４における水詰まりを推定してもよい。
Ｃ．変形例：
Ｃ１．第１変形例：
上述の第１実施形態において、推定部７１は、各セル２１のアノード水分量Ｗａを推定している。これに対し、推定部７１は、スタック２１ｓの全てのセル２１のアノード水分量Ｗａを推定しなくともよい。例えば、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂ、と、スタック２１ｓの中央のセルについてのみ、アノード水分量Ｗａを推定してもよい。また、上述の第２実施形態において、推定部７１は、各セル２１の電圧ばらつきＶｄｅｖを測定することにより、アノードガス流路２４における水詰まりを推定している。これに対し、推定部７１は、スタック２１ｓの全てのセル２１の電圧ばらつきＶｄｅｖを測定しなくともよい。例えば、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂ、と、スタック２１ｓの中央のセルについてのみ、電圧ばらつきＶｄｅｖを測定して、アノードガス流路２４における水詰まりを推定してもよい。
Ｃ１．第１変形例：
上述の第１実施形態において、推定部７１は、各セル２１のアノード水分量Ｗａを推定している。これに対し、推定部７１は、スタック２１ｓの全てのセル２１のアノード水分量Ｗａを推定しなくともよい。例えば、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂ、と、スタック２１ｓの中央のセルについてのみ、アノード水分量Ｗａを推定してもよい。また、上述の第２実施形態において、推定部７１は、各セル２１の電圧ばらつきＶｄｅｖを測定することにより、アノードガス流路２４における水詰まりを推定している。これに対し、推定部７１は、スタック２１ｓの全てのセル２１の電圧ばらつきＶｄｅｖを測定しなくともよい。例えば、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂ、と、スタック２１ｓの中央のセルについてのみ、電圧ばらつきＶｄｅｖを測定して、アノードガス流路２４における水詰まりを推定してもよい。
Ｃ２．第２変形例：
上述の第１実施形態において、推定部７１は、いずれかのセル２１におけるアノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上である場合に、アノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上であると判定している（図２、ステップＳ１０２：ＹＥＳ）。これに対し、推定部７１は、セル２１ごとに推定されたアノード水分量Ｗａの値の平均値が閾値Ｔａを超えた場合に、アノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上であると判定してもよい。また、上述の第２実施形態において、推定部７１は、いずれかのセル２１における電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上である場合に、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上であると判定している（図５、ステップＳ２０２：ＹＥＳ）。これに対し、推定部７１は、セル２１ごとに測定された電圧ばらつきＶｄｅｖの値の平均値が閾値Ｔｖを超えた場合に、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上であると判定してもよい。
上述の第１実施形態において、推定部７１は、いずれかのセル２１におけるアノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上である場合に、アノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上であると判定している（図２、ステップＳ１０２：ＹＥＳ）。これに対し、推定部７１は、セル２１ごとに推定されたアノード水分量Ｗａの値の平均値が閾値Ｔａを超えた場合に、アノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上であると判定してもよい。また、上述の第２実施形態において、推定部７１は、いずれかのセル２１における電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上である場合に、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上であると判定している（図５、ステップＳ２０２：ＹＥＳ）。これに対し、推定部７１は、セル２１ごとに測定された電圧ばらつきＶｄｅｖの値の平均値が閾値Ｔｖを超えた場合に、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上であると判定してもよい。
Ｃ３．第３変形例：
上述の実施形態において、アノード水分量Ｗａの閾値Ｔａ、電圧ばらつきＶｄｅｖの閾値Ｔｖは、セル２１ごとに設けられていてもよい。例えば、アノードがスタック２１ｓの外側を向いたセル２１ａには、スタックの中央のセルや、スタックのもう一方の端部のセル２１ｂと比べて、低い閾値Ｔａ、Ｔｖが設けられていてもよい。スタックの端部のセル２１ａ、２１ｂには、スタックの中央など、他の位置のセルに比べて余剰生成水や、ガス加湿用の水蒸気が溜まりやすい。また、スタックの端部のセル２１ａ、２１ｂは、温度勾配により、スタック２１ｓの他の位置のセルに比べて温度が低く、水が溜まりやすい。さらに、アノードがスタックの外側を向いている場合には、アノード側によりいっそう水が溜まりやすい。そのため、アノードがスタック２１ｓの外側を向いたセル２１ａの水分量Ｗａの閾値Ｔａや電圧ばらつきＶｄｅｖの閾値Ｔｖを低くすれば、燃料電池２０においてアノード側に水が溜まることをより抑制することができる。
上述の実施形態において、アノード水分量Ｗａの閾値Ｔａ、電圧ばらつきＶｄｅｖの閾値Ｔｖは、セル２１ごとに設けられていてもよい。例えば、アノードがスタック２１ｓの外側を向いたセル２１ａには、スタックの中央のセルや、スタックのもう一方の端部のセル２１ｂと比べて、低い閾値Ｔａ、Ｔｖが設けられていてもよい。スタックの端部のセル２１ａ、２１ｂには、スタックの中央など、他の位置のセルに比べて余剰生成水や、ガス加湿用の水蒸気が溜まりやすい。また、スタックの端部のセル２１ａ、２１ｂは、温度勾配により、スタック２１ｓの他の位置のセルに比べて温度が低く、水が溜まりやすい。さらに、アノードがスタックの外側を向いている場合には、アノード側によりいっそう水が溜まりやすい。そのため、アノードがスタック２１ｓの外側を向いたセル２１ａの水分量Ｗａの閾値Ｔａや電圧ばらつきＶｄｅｖの閾値Ｔｖを低くすれば、燃料電池２０においてアノード側に水が溜まることをより抑制することができる。
Ｃ４．第４変形例：
上述の第１実施形態において、推定部７１は、各セル２１において生成される水分量や、セル２１内へ流入する水分量、セル２１から排出される水分量、ガス流量などの種々のパラメータ等に基づいて、各セル２１内に積算されるアノード水分量Ｗａを推定している。これに対し、推定部７１は、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂのうち、アノードがスタックの外側を向いたセル２１ａの水分量を、アノード水分量Ｗａとして推定してもよい。アノードがスタックの外側を向いたセル２１ａにおいては、アノードの温度がカソードの温度に比べてより低下しやすい。よって、アノード側によりいっそう水が溜まりやすい。そのため、セル２１ａの水分量をアノード水分量Ｗａとして推定することができる。このようにすれば、推定部７１によるアノード水分量Ｗａの推定を、簡易に行うことができる。また、同様に、上述の第２実施形態において、推定部７１は、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂのうち、アノードがスタックの外側を向いたセル２１ａの電圧ばらつきＶｄｅｖに基づいて、アノードガス流路２４における水詰まりを推定してもよい。
上述の第１実施形態において、推定部７１は、各セル２１において生成される水分量や、セル２１内へ流入する水分量、セル２１から排出される水分量、ガス流量などの種々のパラメータ等に基づいて、各セル２１内に積算されるアノード水分量Ｗａを推定している。これに対し、推定部７１は、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂのうち、アノードがスタックの外側を向いたセル２１ａの水分量を、アノード水分量Ｗａとして推定してもよい。アノードがスタックの外側を向いたセル２１ａにおいては、アノードの温度がカソードの温度に比べてより低下しやすい。よって、アノード側によりいっそう水が溜まりやすい。そのため、セル２１ａの水分量をアノード水分量Ｗａとして推定することができる。このようにすれば、推定部７１によるアノード水分量Ｗａの推定を、簡易に行うことができる。また、同様に、上述の第２実施形態において、推定部７１は、スタック２１ｓの端部のセル２１ａ、２１ｂのうち、アノードがスタックの外側を向いたセル２１ａの電圧ばらつきＶｄｅｖに基づいて、アノードガス流路２４における水詰まりを推定してもよい。
Ｃ５．第５変形例：
上述の第１実施形態では、推定されたアノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上である場合に、流量制御部７２は、カソードガス流量を通常発電時から２〜４割り減少させている。また、上述の第２実施形態では、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上である場合に、流量制御部７２は、カソードガス流量を通常発電時から２〜４割減少させている。これに対し、流量制御部７２は、カソードガス流量を２〜４割以上減少させてもよい。例えば、流量制御部７２は、燃料電池２０へのカソードガスの供給を停止してもよい。
上述の第１実施形態では、推定されたアノード水分量Ｗａが閾値Ｔａ以上である場合に、流量制御部７２は、カソードガス流量を通常発電時から２〜４割り減少させている。また、上述の第２実施形態では、電圧ばらつきＶｄｅｖが閾値Ｔｖ以上である場合に、流量制御部７２は、カソードガス流量を通常発電時から２〜４割減少させている。これに対し、流量制御部７２は、カソードガス流量を２〜４割以上減少させてもよい。例えば、流量制御部７２は、燃料電池２０へのカソードガスの供給を停止してもよい。
Ｃ６．第６変形例：
燃料電池システム１００は、上述の第１実施形態における水分制御処理と、第２実施形態における水分制御処理と、の両方を実行してもよい。例えば、制御部７０の推定部７１は、アノード水分量Ｗａの推定と、電圧ばらつきＶｄｅｖの測定とを行う。アノード水分量Ｗａと電圧ばらつきＶｄｅｖとの少なくともいずれか一方が閾値Ｔａ，Ｔｖ以上である場合に、流量制御部７２は、アノードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を２０の通常発電時におけるカソードガス流量未満に制御してもよい。
燃料電池システム１００は、上述の第１実施形態における水分制御処理と、第２実施形態における水分制御処理と、の両方を実行してもよい。例えば、制御部７０の推定部７１は、アノード水分量Ｗａの推定と、電圧ばらつきＶｄｅｖの測定とを行う。アノード水分量Ｗａと電圧ばらつきＶｄｅｖとの少なくともいずれか一方が閾値Ｔａ，Ｔｖ以上である場合に、流量制御部７２は、アノードガス流量を燃料電池２０の通常発電時におけるアノードガス流量に維持し、カソードガス流量を２０の通常発電時におけるカソードガス流量未満に制御してもよい。
Ｃ７．第７変形例：
上述の第１実施形態において、推定部７１は、電解質膜１１に対して、アノード側触媒層１２から、ＭＰＬ１４、アノード側ガス拡散層１６、アノード側セパレータ１８、アノードガス流路２４までに存在する水分量をアノード水分量Ｗａとして推定している。これに対し、推定部７１は、上記アノード側触媒層１２、ＭＰＬ１４、アノード側ガス拡散層１６、アノード側セパレータ１８、アノードガス流路２４の少なくともいずれかに存在する水分量Ｗａをアノード水分量として推定してもよい。
上述の第１実施形態において、推定部７１は、電解質膜１１に対して、アノード側触媒層１２から、ＭＰＬ１４、アノード側ガス拡散層１６、アノード側セパレータ１８、アノードガス流路２４までに存在する水分量をアノード水分量Ｗａとして推定している。これに対し、推定部７１は、上記アノード側触媒層１２、ＭＰＬ１４、アノード側ガス拡散層１６、アノード側セパレータ１８、アノードガス流路２４の少なくともいずれかに存在する水分量Ｗａをアノード水分量として推定してもよい。
Ｃ８．第８変形例：
上述の実施形態では、制御部７０は、複数のセル２１を備えるスタック型の燃料電池２０について水分量制御処理を行っている。これに対し、制御部７０は、スタック型ではない燃料電池（セル２１）について水分量制御処理を行ってもよい。
上述の実施形態では、制御部７０は、複数のセル２１を備えるスタック型の燃料電池２０について水分量制御処理を行っている。これに対し、制御部７０は、スタック型ではない燃料電池（セル２１）について水分量制御処理を行ってもよい。
Ｃ９．第９変形例：
上記実施形態において、制御部７０は、異なる２つのセル２１同士の電圧を比較し、その電圧差が所定値以上の場合に、電圧が低い方のセルに水詰まりが発生していると推定することも可能である。
上記実施形態において、制御部７０は、異なる２つのセル２１同士の電圧を比較し、その電圧差が所定値以上の場合に、電圧が低い方のセルに水詰まりが発生していると推定することも可能である。
１０…ＭＥＡ
１１…電解質膜
１２…アノード側触媒層
１３…カソード側触媒層
１４、１５…ＭＰＬ
１６…アノード側ガス拡散層
１７…カソード側ガス拡散層
１８…アノード側セパレータ
１９…カソード側セパレータ
２０…燃料電池
２１、２１ａ、２１ｂ…セル
２１ｓ…スタック
２４…アノードガス流路
２５…エンドプレート
２６…カソードガス流路
３１、４１、５１、６１…配管
３０…カソードガス供給系
４０…カソードガス排出系
５０…アノードガス供給系
５２…タンク
６０…アノードガス排出系
７０…制御部
７１…推定部
７２…流量制御部
１００…燃料電池システム
１１…電解質膜
１２…アノード側触媒層
１３…カソード側触媒層
１４、１５…ＭＰＬ
１６…アノード側ガス拡散層
１７…カソード側ガス拡散層
１８…アノード側セパレータ
１９…カソード側セパレータ
２０…燃料電池
２１、２１ａ、２１ｂ…セル
２１ｓ…スタック
２４…アノードガス流路
２５…エンドプレート
２６…カソードガス流路
３１、４１、５１、６１…配管
３０…カソードガス供給系
４０…カソードガス排出系
５０…アノードガス供給系
５２…タンク
６０…アノードガス排出系
７０…制御部
７１…推定部
７２…流量制御部
１００…燃料電池システム
Claims (4)
- 燃料電池の水分量を制御する燃料電池システムであって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池と、
前記アノード側に存在する水分量を推定する推定部と、
前記推定部により推定された前記アノード側の水分量が閾値以上である場合に、前記アノード側に流れるアノードガスの流量を所定の量に維持し、かつ、前記カソード側に流れるカソードガスの流量を所定の量未満にする制御部と、を備える、燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が複数積層されたスタックを備え、
前記推定部は、前記スタックの端部における前記燃料電池であって、前記アノードが前記スタックの外側を向いた燃料電池の水分量に基づいて、前記アノード側の水分量を推定する、燃料電池システム。 - 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記推定部は、前記燃料電池の電圧変動に基づいて、前記アノード側の水分量を推定する、燃料電池システム。 - 燃料電池システムが燃料電池の水分量を制御する水分量制御方法であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、
前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有し、
（ａ）前記アノード側に存在する水分量を推定する工程と、
（ｂ）推定された前記アノード側の水分量が閾値以上である場合に、前記アノード側に流れるアノードガスの流量を所定の量に維持し、かつ、前記カソード側に流れるカソードガスの流量を所定の量未満にする工程と、を備える、
水分量制御方法。
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