JP2008034248A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内部の水分は、高温状態では蒸発して排出され易くなりドライアップ状態となるおそれがあり、低温状態では、凝縮して排出されにくくなりフラッディング状態となるおそれがあり、適切な水分量を保つことが困難であった。
【解決手段】膜電極接合体を有し、反応ガスを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池における温度を測定して温度測定値を得る測定部と、膜電極接合体における反応ガスの流れ方向を、重力方向である順方向と、順方向とは逆となる逆方向と、のうち、温度測定値に応じていずれかの方向となるように切替える切替部と、を備える燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池内部の水分量調整の技術に関する。

従来、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡと呼ぶ。）を備える燃料電池では、ＭＥＡに含まれる電解質膜が湿潤環境下において高いプロトン導電性を示すことから、電気化学反応に用いられる反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を加湿することが多い。燃料電池のカソードでは、酸化ガスを用いた電気化学反応によって水が生成される。この生成水と反応ガスの加湿に用いられた水とが過剰に燃料電池内部に存在する状態（フラッディング状態）では、かかる水が反応ガスの拡散の抵抗となり、電解質膜に対して反応ガスを十分に供給することができなくなる。そこで、供給する反応ガスの流れによって、燃料電池内部の水を排出する燃料電池が種々提案されている（下記特許文献１，２参照）。

特開２００３−１４２１３３号公報 特開２００３−２４９２４７号公報

上記のように反応ガスの流れにより燃料電池内部の水を排出する燃料電池では、運転中に高温状態になると、燃料電池内部の水が蒸発するために、反応ガスの流れによって水分が排出され易くなる。それゆえ、水分が過剰に排出されて電解質膜が乾燥する状態（ドライアップ状態）となり、ＭＥＡにおける発電能力の低下を招くおそれがある。一方、運転開始時等で燃料電池が低温である場合には、燃料電池内部の水が凝縮しており、十分に水を排出できずにフラッディング状態となるおそれもある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内部の水分量を適切に保つことを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、膜電極接合体を有し、反応ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池における温度を測定して温度測定値を得る測定部と、前記膜電極接合体における前記反応ガスの流れ方向を、前記温度測定値に応じて、重力方向である順方向と、前記順方向とは逆となる逆方向と、のうち、いずれかの方向となるように切替える切替部と、を備えることを要旨とする。

このように、本発明の燃料電池システムは、燃料電池における温度測定値に応じて、膜電極接合体における反応ガスの流れ方向を、順方向と逆方向とのうち、いずれかの方向となるように切り替えるので、例えば、燃料電池が低温でフラッディング状態になるおそれがある場合には順方向に切り替えることで、重力に従って燃料電池内の水分を排出し易くし、また、高温でドライアップ状態になるおそれがある場合には逆方向に切り替えることで、重力に逆らって水分を排出しにくくして、燃料電池内部の水分量を適切に保つことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記切替部は、前記温度測定値が、第１のしきい値よりも高いときに前記流れ方向を前記順方向となるように切替え、第２のしきい値よりも低いときに前記流れ方向を前記逆方向となるように切替えるようにしてもよい。

このようにすることで、燃料電池における温度が第１のしきい値よりも高い場合には、逆方向に切り替えるので、重力に逆らって燃料電池内部の水分を排出しにくくすることができる。また、第２のしき値よりも低い場合には、重力方向に切り替えるので、重力に従って水分を排出しやすくすることができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記第１のしきい値は、前記第２のしきい値よりも高い値であるようにしてもよい。

このように、第１のしきい値と第２のしきい値とを異なる値とすることで、燃料電池における温度がしきい値付近の場合に、反応ガスの流れ方向が頻繁に切り替わることを抑制することができる。それゆえ、反応ガスの流れが頻繁に切り替わることに起因して、燃料電池に反応ガスが供給されにくくなることを抑制することができる。

上記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池の出力電力を制御可能な制御部を備え、前記制御部は、前記切替部が前記流れ方向を切替える際に、前記出力電力を低下させるようにしてもよい。

このようにすることで、反応ガスの流れ方向が切り替わる際に、一時的に燃料電池に供給される反応ガスの供給量が通常運転時よりも低減することとなっても、燃料電池の出力電力を低下させるので、燃料電池の発電動作を抑制することができ、燃料電池の劣化を抑制することができる。

上記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池とは異なる他の電力供給部を備え、
前記電力供給部は、前記低下した出力電力を補うように、前記燃料電池システムに接続された負荷に対して電力を供給するようにしてもよい。

このようにすることで、反応ガスの流れ方向を切り替えて、一時的に燃料電池の出力電力が低下する場合であっても、燃料電池システムに接続された負荷に対して電力を低下させることなく供給することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、反応ガス供給方法や、反応ガス供給方法または燃料電池システムの機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．第４の実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の燃料電池を適用した燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
この燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク２０１と、ラジエータ２０２と、エアフィルタ２０３と、循環ポンプ２０４，２０６と、気液分離器２０５と、温度センサ２０７と、エアコンプレッサ２６０と、制御部５０と、を備えている。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池モジュール１５が水平方向に積層されて構成されている。制御部５０の各種の制御動作は、制御部５０に内蔵されている図示せざるメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、図示せざるＣＰＵが実行することによって実現される。なお、この燃料電池システム２００は、電気車両に搭載されており、動力源としての電力を供給する。

燃料電池システム２００の運転時において、燃料電池スタック１０には、電気化学反応に用いられる反応ガス及び冷却媒体が供給される。具体的には、燃料電池スタック１０には、エアコンプレッサ２６０によって、エアフィルタ２０３を通した空気が酸化ガスとして供給される。燃料電池スタック１０に供給された酸化ガスは、各燃料電池モジュール１５のカソードにおいて電気化学反応に使用される。そして、使用済みの酸化ガスは、オフガスとして大気へ排出される。

燃料電池スタック１０への酸化ガスの供給ルートは２つある。１つ目の供給ルートは、電磁弁２２０ａを介して配管２５０ａから供給するルート（以下、「供給順ルート」と呼ぶ。）であり、２つ目の供給ルートは、電磁弁２２０ｂを介して配管２５０ｂから供給するルート（以下、「供給逆ルート」と呼ぶ。」）である。また、カソード側オフガスの排出ルートは２つある。１つ目の排出ルートは、配管３５０ａ及び電磁弁３２０ａを介して排出するルート（以下、「排出順ルート」と呼ぶ。）であり、２つめの排出ルートは、配管３５０ｂ及び電磁弁３２０ｂを介して排出するルート（以下、「排出逆ルート」と呼ぶ。）である。これら供給ルート及び排出ルートについて、それぞれ、いずれのルートを使用するかは、後述する酸化ガス供給方向切替処理において、制御部５０によって決定される。なお、前述の電磁弁２２０ａ，２２０ｂ，３２０ａ，３３０ｂは、いずれも制御部５０によって開閉が制御される。

また、燃料電池スタック１０には、水素タンク２０１から燃料ガスとしての水素ガスが供給される。なお、燃料ガスは、加湿器（図示省略）で加湿されて燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、各燃料電池モジュール１５のアノードにおいて電気化学反応に使用された後、オフガスとして排出される。このオフガスには、電気化学反応に使用されずに排出された水素ガスの他に、電気化学反応で生成された水や、加湿で用いられた水を含んでいる。このオフガスは、気液分離器２０５において水分を除去されて、循環ポンプ２０４によって再び燃料電池スタック１０に循環される。

また、燃料電池スタック１０には、ラジエータ２０２から冷却媒体としての水が供給される。燃料電池スタック１０から排出された冷却水は、循環ポンプ２０６によってラジエータ２０２に送られて、再び燃料電池スタック１０に循環される。なお、温度センサ２０７は、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体の温度を測定して、測定値を制御部５０に通知する。

図２は、図１に示す燃料電池モジュール１５の詳細構成を示す分解図である。この燃料電池モジュール１５は、シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を備えている。そして、燃料電池モジュール１５は、これらシール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５が交互に積層されて構成されている。

シール一体型ＭＥＡ２１は、ＭＥＡ部６０と、ＭＥＡ部を囲むシール部６１と、を備えている。ＭＥＡ部６０は、電解質膜を有する。かかる電解質膜として、フッ素樹脂系イオン交換膜のNafion（登録商標）やFlemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、図２では、シール一体型ＭＥＡ２１は、表面がアノード面であり、裏面がカソード面である。シール部６１は、上部に設けられた複数の上部酸化ガスマニホールド形成部２１１ａと、下部に設けられた複数の下部酸化ガスマニホールド形成部２１１ｂと、燃料ガス供給マニホールド形成部２１２ａと、冷却媒体供給マニホールド形成部２１３ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２１２ｂと、冷却媒体排出マニホールド形成部２１３ｂと、を備えている。これらの各マニホールド形成部２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２１３ａ，２１３ｂは、シール部６１を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。なお、シール部６１は、シリコンゴムから成る。

セパレータ２５は、アノード側プレート２２と、中間プレート２３と、カソード側プレート２４と、を備えている。アノード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１のアノード面に対向し、カソード側プレート２４は、図面下方において隣接することとなるシール一体型ＭＥＡ（図示省略）のカソード面に対向する。中間プレート２３は、これらアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４に挟持されている。

アノード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１と同じ位置に、上部酸化ガスマニホールド形成部２２１ａと、下部酸化ガスマニホールド形成部２２１ｂと、燃料ガス供給マニホールド形成部２２２ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２２３ｂと、を備えている。これらの各マニホールド形成部２２１ａ，２２１ｂ，２２２ａ，２２２ｂ，２２３ａ，２２３ｂは、アノード側プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、アノード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１のＭＥＡ部６０に対向する部分に、長孔である燃料ガス供給孔２２５及び燃料ガス排出孔２２６を備えている。これら燃料ガス供給孔２２５及び燃料ガス排出孔２２６は、アノード側プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。

カソード側プレート２４は、シール一体型ＭＥＡ２１と同じ位置に、上部酸化ガスマニホールド形成部２４１ａと、下部酸化ガスマニホールド形成部２４１ｂと、燃料ガス供給マニホールド形成部２４２ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２４２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２４３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２４３ｂと、を備えている。これらの各マニホールド形成部２４１ａ，２４１ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４３ａ，２４３ｂは、カソード側プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、カソード側プレート２４は、上部に設けられた複数の酸化ガス流路孔２４５と、下部に設けられた複数個の酸化ガス流路孔２４６と、を備えている。これら酸化ガス流路孔２４５，２４６は、カソード側プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。

中間プレート２３は、アノード側プレート２２及びカソード側プレート２４と同じ位置に、上部酸化ガスマニホールド形成部２３１ａと、下部酸化ガスマニホールド形成部２３１ｂと、燃料ガス供給マニホールド形成部２３２ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２３３ｂと、を備えている。これらの各マニホールド形成部２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂ，２３３ａ，２３３ｂは、中間プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。さらに、中間プレート２３は、複数の上部酸化ガス流路形成部２３５と、下部酸化ガス流路形成部２３６と、燃料ガス供給流路形成部２３７と、燃料ガス排出流路形成部２３８と、を備えている。これらの各流路形成部２３５〜２３８の一端は、それぞれ各マニホールド形成部２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂと連通している。また、上部酸化ガス流路形成部２３５及び下部酸化ガス流路形成部２３６の他端は、それぞれ、積層状態においてカソード側プレート２４に形成された酸化ガス流路孔２４５及び酸化ガス流路孔２４６に連通している。同様にして、燃料ガス供給流路形成部２３７及び燃料ガス排出流路形成部２３８の他端は、それぞれ、アノード側プレート２２に形成された燃料ガス供給孔２２５及び燃料ガス排出孔２２６に連通している。また、中間プレート２３は、中間プレート２３を横断する冷却媒体流路形成部２３９を複数個備えている。そして、上述した中間プレート２３における各流路形成部２３５〜２３９は、いずれも中間プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。なお、この中間プレート２３の他、上述したアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４は、いずれもチタン製の薄板に上述した各貫通部を形成することにより製造されている。

Ａ２．燃料電池モジュール１５におけるカソード側の動作：
図３は、シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を積層した状態での図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。なお、積層状態を分かり易く示すため、２つのセパレータ２５ａ，２５ｂを記載している。シール一体型ＭＥＡ２１のＭＥＡ部６０は、電解質膜６０ｃを挟んでカソード側ガス拡散層６０ａ及びアノード側ガス拡散層６０ｂを備えている。なお、ＭＥＡ部６０は、他に触媒層や電極を備えているが説明の便宜上省略している。

図３の例では、上部酸化ガスマニホールド形成部２１１ａ，２４１ａ，２３１ａ，２２１ａにより上部酸化剤ガスマニホールドが形成されており、また、下部酸化ガスマニホールド形成部２２１ｂ，２４１ｂ，２３１ｂ，２２１ｂにより下部酸化ガスマニホールドが形成されている。ここで、燃料電池スタック１０の各燃料電池モジュール１５には、酸化ガス（空気）が、重力方向（以下、「順方向」と呼ぶ。）と、重力方向とは逆の方向（以下、「逆方向」と呼ぶ。）と、のうちいずれかの方向に切替えられて供給される。そして、図４の例では、酸化ガスが順方向に供給されている状態を示しており、上部酸化ガスマニホールドから酸化ガスが供給され、下部酸化ガスマニホールドからオフガスが排出されている。なお、酸化ガスの供給方向は、後述する酸化ガス供給方向切替処理において、制御部５０によって決定される。

また、中間プレート２３における貫通部である上部酸化ガス流路形成部２３５と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「上部酸化ガス流路」と呼ぶ。）が形成されている。この上部酸化ガス流路の一端は、酸化ガス流路孔２４５に連通し、他端は上部酸化ガスマニホールドに連通している。同様にして、下部酸化ガス流路形成部２３６と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「下部酸化ガス流路」と呼ぶ。）が形成されている。この下部酸化ガス流路の一端は、酸化ガス流路孔２４６に連通し、他端は下部酸化ガスマニホールドに連通している。なお、中間プレート２３における貫通部である冷却媒体流路形成部２３９と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「冷却媒体流路」と呼ぶ。）が複数形成されている。この冷却媒体流路内には、冷却媒体である水が流れて各燃料電池モジュール１５を冷却する。

上部酸化ガスマニホールドを流れる酸化ガス（空気）の一部は、セパレータ２５ｂの中間プレート２３において、上部酸化ガスマニホールド形成部２３１ａから上部酸化ガス流路に流入し、酸化ガス流路孔２４５を通ってシール一体型ＭＥＡ２１のカソード側ガス拡散層６０ａに供給される。この供給された空気は、ガスの流れ及び重力に従って上から下へと電解質膜６０ｃ全体に亘って拡散して電気化学反応に供される。電気化学反応後、余剰空気は、図４に示すセパレータ２５ｂのカソード側プレート２４の酸化ガス流路孔２４６を通って、下部酸化ガス流路に流入し、下部酸化ガスマニホールドを通って燃料電池スタック１０の外部に排出される。

ここで、運転中に燃料電池モジュール１５が高温となると、燃料電池モジュール１５内部の水が蒸発し易くなり、ガスの流れ及び重力に従って多量に排出されてドライアップ状態となるおそれがある。そこで、燃料電池システム２００では、後述する酸化ガス供給方向切替処理を行うことで、燃料電池モジュール１５内部の水分量を調整するように構成されている。

Ａ３．酸化ガス供給方向切替処理：
図４は、燃料電池システム２００における酸化ガス供給方向切替処理の手順を示すフローチャートである。ユーザが電気車両のイグニッションスイッチをオンすると、燃料電池システム２００において酸化ガス供給方向切替処理が開始される。なお、イグニッションスイッチがオンされた後は、燃料電池スタック１０に対して反応ガス（水素ガス及び空気）が供給されている。図４に示す酸化ガス供給方向切替処理が開始されると、図１に示す制御部５０は、各電磁弁２２０ａ，２２０ｂ，３２０ａ，３２０ｂを制御して、酸化ガスの供給方向を順方向となるようにする（ステップＳ５０５）。

図５は、酸化ガスの供給方向が順方向の場合の各電磁弁の開閉状況を示す説明図である。図５に示すように、制御部５０が電磁弁２２０ａを開き電磁弁２２０ｂを閉じるように制御することで、供給順ルートで燃料電池スタック１０に酸化ガスが供給される。この場合、図３に示すように、酸化ガスが上部酸化ガスマニホールドを通じて各燃料電池モジュール１５に供給され、図５に示すように、カソード側プレート２４（シール一体型ＭＥＡ２１対向面）において、酸化ガスが順方向（上から下）に供給される。そして、酸化ガス（オフガス）が下部酸化ガスマニホールドを通じて各燃料電池モジュール１５から排出される。このとき、図５に示すように、制御部５０が電磁弁３２０ａを開き電磁弁３２０ｂを閉じるように制御することで、排出順ルートで燃料電池スタック１０からオフガスが排出される。

燃料電池システム２００の運転開始直後は、燃料電池モジュール１５の温度は低いので、燃料電池モジュール１５内部の水分は凝縮しており、水蒸気として酸化ガスと共に排出されにくくなっている。しかしながら、酸化ガスの供給方向を順方向とすることで、水分の排出方向と重力方向とを一致させ、凝縮した水分を排出しやすくすることができる。それゆえ、フラッディング状態となることを抑制することができる。

ステップＳ５０５の後、制御部５０は、温度センサ２０７（図１）によって測定された測定値Ｔを取得する（ステップＳ５１０）。この測定値は、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体の温度を示すが、燃料電池モジュール１５内の温度とほぼ等しいものと考えられる。次に制御部５０は、イグニッションスイッチがオフされたか否かを判定する（ステップＳ５１５）。運転継続中であると、制御部５０は、さきほど取得した測定値Ｔが７０℃よりも低いか否かを判定する（ステップＳ５３０）。運転開始直後や低温環境下等では、燃料電池モジュール１５内の温度は７０℃よりも低い。そして、この場合、制御部５０は、酸化ガスが順方向で供給中であるか否かを判定する（ステップＳ５２５）。前述のように、ステップＳ５０５の後において供給方向が切り替わっていない場合、制御部５０は、ステップＳ５１０に戻って測定値Ｔを改めて取得する。

運転開始後しばらくして、燃料電池モジュール１５内の温度が７０℃よりも高くなると、ステップＳ５２０において、制御部５０は、測定値Ｔが７０℃よりも低くないと判定することとなる。この場合、制御部５０は、酸化ガスの供給方向を反対の方向となるように切替える（ステップＳ５４５）。前述のように、酸化ガスの供給方向が順方向であった場合には、逆方向となるように供給方向が切り替わることとなる。

図６は、酸化ガスの供給方向が逆方向の場合の各電磁弁の開閉状況を示す説明図である。図６に示すように、電磁弁２２０ａを閉じ電磁弁２２０ｂを開くように制御することで、供給逆ルートで燃料電池スタック１０に酸化ガスが供給される。この場合、図３とは逆に、酸化ガスが下部酸化ガスマニホールドを通じて各燃料電池モジュール１５に供給され、図６に示すように、カソード側プレート２４（シール一体型ＭＥＡ２１対向面）において、酸化ガスが逆方向（下から上）に供給される。そして、酸化ガス（オフガス）が上部酸化ガスマニホールドを通じて各燃料電池モジュール１５から排出される。このとき、制御部５０が電磁弁３２０ａを閉じ電磁弁３２０ｂを開くように制御することで、排出逆ルートで燃料電池スタック１０からオフガスが排出される。

燃料電池モジュール１５の温度が上昇して７０℃以上になると、飽和水蒸気量の増大によって燃料電池モジュール１５内部の水分は蒸発し易くなり、酸化ガスと共に水分が排出され易くなる。しかしながら、酸化ガスの供給方向を逆方向とすることで、水分の排出方向を重力方向と逆向きとし、蒸発した水分の排出を抑えることができる。それゆえ、ドライアップ状態となることを抑制することができる。

なお、このようにして温度が上昇した後、再び燃料電池モジュール１５の温度が７０℃以下に下がった場合には、制御部５０は、ステップＳ５２５において順方向で供給中でないと判定することとなる。そしてこの場合、制御部５０は、ステップＳ５４５で供給方向を切替えるので、酸化ガスの供給方向は順方向に切り替わることとなる。そして、イグニッションスイッチがオフされた場合には（ステップＳ５１５：ＹＥＳ）、酸化ガス供給方向切替処理が終了する。

以上のように、燃料電池システム２００では、燃料電池モジュール１５の温度に応じて酸化ガスの供給方向を順方向又は逆方向に切替えるので、燃料電池モジュール１５内部がドライアップ状態やフラッディング状態になることを抑制することができ、燃料電池モジュール１５内部の水分量を適切に保つことができる。

Ｂ．第２の実施例：
図７は、第２の実施例における酸化ガス供給方向切替処理の手順を示すフローチャートである。第２の実施例の手順は、図４のステップＳ５１５とステップＳ５２０との間にステップＳ５１９を加えたものであり、他の手順は第１の実施例と同じである。第１の実施例では、ステップＳ５２０において「測定値Ｔが７０℃よりも高いか否か」のみを判定する構成であったが、第２の実施例では、「測定値Ｔが７０℃よりも高いか否か」に加えて、「測定値Ｔが６５℃よりも低いか否か」の２段階の判定を行う構成である。なお、第２の実施例における燃料電池システムの構成は、第１の実施例の燃料電池システム２００と同じである。

具体的には、例えば、運転開始後に燃料電池モジュール１５の温度が上昇して７１℃になった場合、図７に示すステップＳ５１９で測定値Ｔが６５℃よりも低くないと判定され、かつ、ステップＳ５２０で測定値Ｔが７０℃よりも高いと判定されるので、供給方向は順方向から逆方向に切り替わることとなる（ステップＳ５４５）。その後、燃料電池モジュール１５の温度が若干下がり７０℃になった場合、ステップＳ５２０において測定値Ｔが７０℃よりも高くないと判定され、この場合、ステップＳ５１０に戻ることとなる。そして、さらに、燃料電池モジュール１５の温度が下がり６５℃よりも低くなった場合に、ステップＳ５２５で酸化ガスの供給方向が順方向でないと判定され、供給方向が逆方向から順方向に切り替わることとなる（ステップＳ５４５）。

このように、本実施例では、測定値Ｔについて２つのしきい値（高いしきい値及び低いしきい値）を設けている。そして、測定値Ｔが、高いしきい値（７０℃）よりも高い値であったのが、燃料電池モジュール１５の温度低下と共に測定値Ｔが低下していき、低いしきい値（６５℃）を下回った場合に供給方向を切替えるようにしている。また、測定値Ｔが６５℃よりも低い値であったのが、燃料電池モジュール１５の温度上昇と共に測定値Ｔが上昇していき、高いしきい値（７０℃）を上回った場合に供給方向を切替えるようにしている。従って、測定値Ｔがしきい値付近である場合に、酸化ガスの供給方向が頻繁に切り替わることを抑制することができる。それゆえ、各電磁弁の開閉が頻繁に行われることに起因して、いずれの供給ルートからも燃料電池スタック１０に酸化ガスが供給されない状態を回避することができる。

Ｃ．第３の実施例：
図８は、第３の実施例における酸化ガス供給方向切替処理の手順を示すフローチャートである。第３の実施例の手順は、図７のステップＳ５４５の前にステップＳ５４０を加え、かつ、ステップＳ５４５の後ろにステップＳ５５０，Ｓ５５５を加えたものであり、他の手順は、第２の実施例と同じである。酸化ガスの供給方向を切替える場合、供給ルートの切替に伴って、一時的に酸化ガスの供給量が通常の運転時の供給量よりも低い状態となる。かかる場合に燃料電池スタック１０に対して通常の運転時と同じ電力を要求して発電を促すと燃料電池モジュール１５の劣化を招くこととなる。そこで、本実施例では、供給方向を切り替える際に燃料電池スタック１０の出力電力（以下、単に「ＦＣ電力」とも呼ぶ。）を低下させる。なお、第３の実施例における燃料電池システムの構成は、第１の実施例の燃料電池システム２００と同じである。

図９は、第３の実施例における燃料電池システム２００を備える車両の概略構成を示す説明図である。この車両１００は、電源システム２０と、負荷部３０と、制御部５０と、を備えている。電源システム２０は、車両１００の動力源としての電力を供給する。負荷部３０は、供給された電力を車両１００を駆動するための機械的動力に変換する。制御部５０は、電源システム２０と負荷部３０とを制御する。

電源システム２０は、燃料電池システム２００と、２次電池２６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７と、を備えている。負荷部３０は、アクセル３７と、アクセル３７の踏み込み量（アクセル開度とも呼ばれる）Ｗｔを計測するアクセルセンサ３５と、駆動回路３６と、モータ３１と、ギヤ機構３２と、車輪３４とを備えている。駆動回路３６は、モータ３１を駆動するための回路であり、たとえばトランジスタインバータで構成されている。モータ３１で発生した動力は、ギヤ機構３２を介して車輪３４に伝達される。駆動回路３６は、電源システム２０から供給された直流電力を三相交流電力に変換してモータ３１に供給する。供給される三相交流電力の大きさは、アクセルセンサ３５からの入力（アクセル開度Ｗｔ）に応じて制御部５０によって決定される。なお、上述した第１，第２の実施例では、制御部５０は、燃料電池システム２００の一部であったが、本実施例では、燃料電池システム２００とは別に存在している。そして制御部５０は、燃料電池システム２００の他に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７と、駆動回路３６とに電気的に接続されて、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。

図８に示すように、測定値Ｔが６５℃よりも低く且つ酸化ガスの供給方向が逆方向の場合、または、測定値Ｔが７０℃よりも高く且つ酸化ガスの供給方向が順方向の場合には、制御部５０は、ステップＳ５４５で供給方向を切替える前に、ＦＣ電力を低下する（ステップＳ５４０）。そして、制御部５０は、ステップＳ５４５で酸化ガスの供給方向を切替えた後、所定時間が経過したか否かを判定し（ステップＳ５５０）、所定時間経過した場合に、低下したＦＣ電力を戻す（ステップＳ５５５）。所定時間経過後にＦＣ電力を戻すようにしているのは、以下の理由による。すなわち、供給方向が切り替わってしばらくすると各燃料電池モジュール１５への酸化ガスの供給量が通常運転時の供給量まで戻るので、ＦＣ電力を戻しても燃料電池モジュール１５の劣化を招かないからである。以下、ＦＣ電力低下の具体的方法について説明する。

図１０（Ａ）は、燃料電池システム２００の出力電圧であるＦＣ電圧と出力電流であるＦＣ電流との間の関係を示し、図１０（Ｂ）は、燃料電池システム２００の電力供給状態を示している。図１０（Ａ）に示すように、燃料電池システム２００（燃料電池スタック１０）については、ＦＣ電圧−ＦＣ電流特性として、ＦＣ電圧が高くなるとＦＣ電流が小さくなり、ＦＣ電圧が低くなるとＦＣ電流が大きくなる関係にある。具体的には、ＦＣ電圧がＶ０のときには、ＦＣ電流はＩ０であり、ＦＣ電力はＰ０である。ＦＣ電圧がＶ１に下降すると、ＦＣ電流はＩ１に、ＦＣ電力はＰ１にそれぞれ上昇する。しかし、Ｖ１からさらにＦＣ電圧が下降しても、ＦＣ電流の増加は飽和しつつあり、ＦＣ電流とＦＣ電圧の積であるＦＣ電力は逆に下降し始める。なお、電源システム２０は、燃料電池システム２００を保護するためにＦＣ電圧が運用最小電圧Ｖｍｉｎ未満とならないように構成されている。この結果、燃料電池システム２００は、開放電圧ＯＣＶと運用最小電圧Ｖｍｉｎの間の出力電圧で運用されることになる。

かかるＦＣ電圧−ＦＣ電力特性を利用して、電源システム２０では、ＦＣ電圧を上昇させることでＦＣ電力を低下させるようにしている。たとえば、通常運転時のＦＣ電圧がＶ１であったならば、酸化ガス供給方向を切り替える際に、ＦＣ電圧をＶ０に昇圧することで、ＦＣ電力を低下させる。なお、かかるＦＣ電圧の昇圧は、燃料電池システム２００と並列に接続されているＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力電圧を調整することで行われる。

ここで、図９に示す電源システム２０では、２次電池２６と燃料電池システム２００の双方が負荷部３０（駆動回路３６）に対して電力を供給し得る。そして、制御部５０が、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力電圧値を調整することで、２次電池２６及び燃料電池システム２００の電力供給量を調整して、駆動要求電力を駆動回路３６に対して供給するように制御する。

具体的には、図１０（Ｂ）に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力電圧（並列接続されている燃料電池システム２００のＦＣ電圧）がＶ１であった場合、ＦＣ電力Ｐ１により駆動要求電力Ｐｔを十分に供給することができる。したがって、燃料電池システム２００のみが負荷部３０に電力を供給する。しかしながら、前述のように、ＦＣ電力を低下させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力電圧（ＦＣ電圧）をＶ０に昇圧すると、ＦＣ電力Ｐ０だけでは駆動要求電力Ｐｔは供給しきれなくなる。この場合、２次電池２６が差分電力（Ｐｔ−Ｐ０）を供給することで、駆動要求電力Ｐｔを負荷部３０に供給することができる。なお、ＦＣ電圧がＶ１の場合の余剰電力（Ｐ０−Ｐｔ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７を介して２次電池２６に蓄えられる。

以上説明したように、第３の実施例では、酸化ガス供給方向を切り替える際にＦＣ電力を低下させるので、酸化ガスの供給量の低減に伴う燃料電池モジュール１５の劣化を抑制することができる。また、ＦＣ電力を低下させた場合においても、２次電池から電力を供給することで、駆動要求電力を負荷部３０に供給することができる。

Ｄ．第４の実施例：
図１１は、第４の実施例におけるカソード側セパレータ表面での酸化ガス流れを示す説明図である。上述した各実施例では、図５，６に示すように、カソード側プレート２４（シール一体型ＭＥＡ２１対向面）において、酸化ガスは順方向又は逆方向のいずれかの方向を直線的に流れるものであったが、本実施例では、直線的ではないが、全体として順方向又は逆方向に流れる構成である。

図１１に示すカソード側プレート２４’は、いわゆるサーペンタイン型セパレータであり、複数の流路が蛇行した形状のサーペンタイン流路２４９を備えている。このサーペンタイン流路２４９の両端は、上部酸化ガスマニホールド形成部２４１ａ’及び下部酸化ガスマニホールド形成部２４１ｂ’に連通している。酸化ガスの供給方向が順方向の場合、図１１（Ａ）に示すように、上部酸化ガスマニホールド形成部２４１ａ’から供給された酸化ガスは、サーペンタイン流路２４９に沿って蛇行しながら下部酸化ガスマニホールド形成部２４１ｂ’に流れて排出される。一方、酸化ガスの供給方向が逆方向の場合、図１１（Ｂ）に示すように、下部酸化ガスマニホールド形成部２４１ｂ’から供給された酸化ガスは、サーペンタイン流路２４９に沿って蛇行しながらに流れて上部酸化ガスマニホールド形成部２４１ａ’から排出される。

このような構成であっても、燃料電池モジュール１５の温度が比較的低い場合に酸化ガス供給方向を順方向とすることで、水分の排出方向を全体として順方向とすることができ、フラッディング状態となることを抑制することができる。また、燃料電池モジュール１５の温度が比較的高い場合に酸化ガスの供給方向を逆方向とすることで、水分の排出方向を全体として逆方向とすることができ、ドライアップ状態となることを抑制することができる。

Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上述した各実施例では、カソード側についてのみ、反応ガス（酸化ガス）の供給方向を切り替えていたが、カソード側に代えて、または、カソード側に加えて、アノード側についても反応ガス（燃料ガス）の供給方向を切り替えるようにしてもよい。具体的には、上述した各実施例と同様に、燃料電池モジュール１５の温度が比較的低い場合に、アノード側プレート２２（シール一体型ＭＥＡ２１対向面）における燃料ガスの供給方向を順方向とし、燃料電池モジュール１５の温度が比較的高い場合に、供給方向を逆方向としてもよい。このようにすることで、アノード側についてもフラッディング状態やドライアップ状態となることを抑制することができ、燃料電池モジュール１５内部の水分量を適切に保つことができる。

Ｅ２．変形例２：
上述した各実施例では、イグニッションスイッチがオフされた場合には、酸化ガス供給方向切替処理が終了していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸化ガスの供給方向を強制的に順方向とした上で、燃料電池スタック１０における発電は行わずに酸化ガスの供給を所定時間だけ行ってから終了する構成であってもよい。このような構成とすることで、燃料電池システム２００運転終了後において、燃料電池スタック１０内部に残留する水分を十分に排出することができる。従って、かかる残留水分に起因する低温始動時のガス拡散性の低下を抑制することができる。なお、供給方向を強制的に順方向とするのは、発電停止とともに燃料電池モジュール１５の温度が低下するので、酸化ガスの供給方向を順方向として多量の水分を排出させるためである。

Ｅ３．変形例３：
上述した第３の実施例では、燃料電池システム２００の他に負荷部３０に電力を供給する手段として２次電池２６を備える構成であったが、本発明は２次電池に限定されるものではなく、他の電力供給手段を備える構成であってもよい。例えば、２次電池２６に代えてキャパシタを備える構成とすることもできる。

Ｅ４．変形例４：
上述した各実施例では、測定値Ｔにしきい値を設けて、測定値Ｔがこのしきい値よりも高くなったら（または低くなったら）、酸化ガスの供給方向を切り替える構成であったが、しきい値を使用する必要はなく、一般に燃料電池モジュール１５の温度に応じて酸化ガスの供給方向を切り替える構成とすればよい。具体的には、例えば、前回の測定値Ｔに比べて所定温度以上上昇した場合や、前回の測定値Ｔに比べて所定温度以上低下した場合に、酸化ガスの供給方向を切り替える構成とすることもできる。このような構成であっても、実験等によって、適切な所定温度を求めて設定することで、フラッディング状態やドライアップ状態となることを抑制することができる。

Ｅ５．変形例５：
上述した各実施例では、燃料電池システム２００は、複数の燃料電池モジュール１５が積層した燃料電池スタック１０を備えるものとしたが、１つの燃料電池モジュール１５のみで構成されるものであってもよい。このような構成であっても、かかる燃料電池モジュール１５内部の水分を適切に保つことができる。

本発明の燃料電池を適用した燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 図１に示す燃料電池モジュール１５の詳細構成を示す分解図。 シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を積層した状態での図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図。 燃料電池システム２００における酸化ガス供給方向切替処理の手順を示すフローチャート。 酸化ガスの供給方向が順方向の場合の各電磁弁の開閉状況を示す説明図。 酸化ガスの供給方向が逆方向の場合の各電磁弁の開閉状況を示す説明図。 第２の実施例における酸化ガス供給方向切替処理の手順を示すフローチャート。 第３の実施例における酸化ガス供給方向切替処理の手順を示すフローチャート。 第３の実施例における燃料電池システム２００を備える車両の概略構成を示す説明図。 燃料電池システム２００のＦＣ電圧−ＦＣ電流特性及び電力供給状態を示す説明図。 第４の実施例におけるカソード側セパレータ表面での酸化ガス流れを示す説明図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１５…燃料電池モジュール
２０…電源システム
２１…シール一体型ＭＥＡ
２２…アノード側プレート
２３…中間プレート
２４…カソード側プレート
２５…セパレータ
３０…負荷部
３１…モータ
３２…ギヤ機構
３４…車輪
３５…アクセルセンサ
３６…駆動回路
３７…アクセル
４０…ラジエータ
５０…制御部
６０…ＭＥＡ部
６０ａ…カソード側ガス拡散層
６０ｂ…アノード側ガス拡散層
６０ｃ…電解質膜
６１…シール部
１００…車両
２００…燃料電池システム
２０１…水素タンク
２０２…ラジエータ
２０３…エアフィルタ
２０４，２０６…循環ポンプ
２０５…気液分離器
２０７…温度センサ
２２０ａ，２２０ｂ，３２０ａ，３２０ｂ…電磁弁
２５０ａ，２５０ｂ，３５０ａ，３５０ｂ…配管
２６０…エアコンプレッサ

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   膜電極接合体を有し、反応ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池における温度を測定して温度測定値を得る測定部と、
   前記膜電極接合体における前記反応ガスの流れ方向を、前記温度測定値に応じて、重力方向である順方向と、前記順方向とは逆となる逆方向と、のうち、いずれかの方向となるように切替える切替部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記切替部は、前記温度測定値が、第１のしきい値よりも高いときに前記流れ方向を前記順方向となるように切替え、第２のしきい値よりも低いときに前記流れ方向を前記逆方向となるように切替える、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１のしきい値は、前記第２のしきい値よりも高い値である、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池の出力電力を制御可能な制御部を備え、
   前記制御部は、前記切替部が前記流れ方向を切替える際に、前記出力電力を低下させる、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池とは異なる他の電力供給部を備え、
   前記電力供給部は、前記低下した出力電力を補うように、前記燃料電池システムに接続された負荷に対して電力を供給する、
   燃料電池システム。
6. 膜電極接合体を有し反応ガスを用いて発電を行う燃料電池に対して、前記反応ガスを供給するための、反応ガス供給方法であって、
   （ａ）前記燃料電池における温度を測定して温度測定値を得る工程と、
   （ｂ）前記温度測定値に応じて、前記膜電極接合体における前記反応ガスの流れ方向を、重力方向である順方向と、前記順方向とは逆となる逆方向とのうち、いずれかの方向となるように切替える工程と、
   を備える反応ガス供給方法。

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