JP2008071539A - 燃料電池システム及び燃料電池スタックの流体配分方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流量配分を最適に制御することができる燃料電池システム、及び燃料電池スタックの流量配分方法を課題とする。
【解決手段】単セルを複数積層してなる制御対象モジュールを少なくとも二つ有する燃料電池スタック１０と、一つの流体系統から流体を少なくとも二つの制御対象モジュール１０Ａ，１０Ｂに分配するように供給する流体供給手段（２，３，４）と、を備えた燃料電池システム１において、流体供給手段は、各制御対象モジュール１０Ａ，１０Ｂの運転状態に応じて、各制御対象モジュール１０Ａ，１０Ｂへの流体の配分量を制御するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、単セルを複数積層してなる制御対象モジュールを少なくとも二つ有する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関し、特に、制御対象モジュールへの流体配分方法に関するものである。

燃料電池スタックとして、単セルを複数積層してなる第１及び第２の制御対象モジュール（電池ブロック）を備えたものが知られている（例えば特許文献１参照。）。第１及び第２の制御対象モジュールには、各単セルに反応ガスを供給するマニホールドが設けられている。第１の制御対象モジュールのマニホールドには、反応ガス導入管が接続されており、この反応ガス導入管には、反応ガスを第２の制御対象モジュールのマニホールドへとバイパスして供給するバイパス配管が接続されている。そして、バイパス配管には流量調整手段が設けられており、流量調整手段により反応ガスの流量配分を可変できるようになっている。また、第１及び第２の制御対象モジュールは、それぞれ三つのモジュールからなり、この三つのモジュールには、反応ガスが均等に分配されて供給されるようになっている。

ところで、燃料電池スタック内には、単セルの発電反応によって水が生成される。このため、生成水によって一部の単セルがフラッディング状態となる場合がある。このような運転状態では反応ガスが不足し、セル電圧が低下するという現象が起きる。
一方で、反応ガスは、通常ある程度加湿されて単セルに供給されるが、高温時や発電不良時に、一部の単セルにおいて加湿不足の反応ガスが供給される場合がある。このような運転状態では、発電反応のためのイオン伝導性が低下し、セル電圧が低下するという現象が起きる。
特開平２−２２６６６９号公報（特許請求の範囲及び第１図）

しかしながら、特許文献１では、このようなセル電圧が低下する現象について何ら考慮されていなかった。それゆえ、第１及び第２の制御対象モジュール間での反応ガスの流量配分は最適とはいえず、また、各制御対象モジュールの三つのモジュール間での流量の均等配分も最適といえるものではなかった。

そこで、本発明は、流量配分を最適に制御することができる燃料電池システム、及び燃料電池スタックの流量配分方法を提供することをその目的としている。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、単セルを複数積層してなる制御対象モジュールを少なくとも二つ有する燃料電池スタックと、一つの流体系統から流体を少なくとも二つの制御対象モジュールに分配するように供給する流体供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、流体供給手段は、各制御対象モジュールの運転状態に応じて、各制御対象モジュールへの流体の配分量を制御するものである。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックの流体配分方法は、単セルを複数積層してなる制御対象モジュールを少なくとも二つ有する燃料電池スタックの流体配分方法であって、一つの流体系統から各制御対象モジュールに分配するように供給する流体の配分量を、各制御対象モジュールの運転状態に応じて制御するものである。

このような構成によれば、制御対象モジュール間で湿度分布、温度分布、又は電圧分布などが均一でなくとも、各制御対象モジュールの運転状態に対応した流量を供給することが可能となる。これにより、各制御対象モジュールの流量配分を最適に制御できる。

好ましくは、流体供給手段は、一つの制御対象モジュールの運転状態が正常時とは異なる場合に、運転状態が正常時に近づくように、残りの制御対象モジュールへの流体の配分量を制御する。

こうすることで、一つの制御対象モジュールの運転状態を回復でき、この制御対象モジュールの出力性能を向上できる。

好ましい一態様では、燃料電池システムは、各制御対象モジュールの平均セル電圧を算出する算出手段を備えており、流体系統の流体は、単セルの発電に用いられる反応ガスである。そして、流体供給手段は、算出手段による算出の結果、相対的に平均セル電圧が低下している制御対象モジュールへの反応ガスの配分量を増加させる。

この構成によれば、相対的に平均セル電圧が低下した制御対象モジュールの電圧低下を復帰させることができ、制御対象モジュール間で電圧分布を均一にできる。これにより、各制御対象モジュールの平均セル電圧を安定させることができる。

好ましい別の一態様では、各制御対象モジュールの運転状態は、各制御対象モジュールの湿潤状態であり、流体系統の流体は、単セルを冷却するための冷媒である。

この構成によれば、例えば、ウエット状態の制御対象モジュールに対しては、冷媒の流量を減少することで、制御対象モジュールの温度を高めて、湿度を下げることができる。逆に、ドライ状態の制御対象モジュールに対しては、冷媒の流量を増加することで、制御対象モジュールの温度を下げて、湿度を上げることができる。したがって、制御対象モジュール間で湿度分布を均一にでき、各制御対象モジュールの平均セル電圧を安定させることができる。

好ましい他の一態様では、燃料電池システムは、各制御対象モジュールの温度を検出する検出手段を備えおり、流体系統の流体は、単セルを冷却するための冷媒である。そして、流体供給手段は、検出手段による検出の結果、相対的に温度が低下している制御対象モジュールへの冷媒の配分量を減少させる。

この構成によれば、相対的に温度が低下した制御対象モジュールの温度を上昇させることができ、制御対象モジュール間で温度分布を均一にできる。これにより、各制御対象モジュールの平均セル電圧を安定させることができる。

好ましくは、各制御対象モジュールは、単セルの積層方向における第１の端部と、第１の端部とは反対側の第２の端部と、を備える。そして、流体供給手段は、第１の端部及び第２の端部のそれぞれから、各制御対象モジュールに流体を供給可能に構成されている。

この構成によれば、各制御対象モジュールに流体を対向流で供給できる。

好ましい一態様では、流体供給手段は、各制御対象モジュールの端部にある単セルの運転状態に応じて、各制御対象モジュールへの流体の配分量を制御する。

かかる構成によれば、例えば、全ての単セルに電圧センサを設けなくて済むようになり、電圧センサを少なくすることができる。

以上説明した本発明の燃料電池システム、及び燃料電池スタックの流量配分方法によれば、少なくとも二つの制御対象モジュールへの流量配分を最適に制御することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

図１は、燃料電池システム１の基本的なシステム構成図である。
この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により発電して電力を発生する燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタックは、単セルを複数積層してなる二つの制御対象モジュール１０Ａ，１０Ｂを備えている。以下の説明では、制御対象モジュールを「モジュール」と略記する。

燃料電池システム１は、モジュール１０Ａ、１０Ｂへの酸化ガスとしての空気の供給を調整する酸化ガス配管系２と、モジュール１０Ａ、１０Ｂへの燃料ガスとしての水素ガスの供給を調整する燃料ガス配管系３と、モジュール１０Ａ、１０Ｂへの冷媒としての冷却水の供給を調整する冷媒配管系４と、システム全体を統括制御する制御装置５と、を備えている。

モジュール１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ単体でも燃料電池として機能するものであり、例えば固体高分子電解質型で構成されている。モジュール１０Ａ，１０Ｂは、複数の単セルを積層したスタック構造を備えている。
単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。単セルは、セパレータの流路に供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、電力を発生する。単セルでの電気化学反応は発熱反応であり、単セルの温度は約６０〜７０℃となる。また、単セルでの電気化学反応により、水が生成される。

酸化ガス配管系２は、一つの流体系統である供給配管２１と、供給配管２１の下流で分岐した二系統の配管２１Ａ，２１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される酸化オフガスが流れる二系統の配管２２Ａ、２２Ｂと、配管２２Ａ，２２Ｂの下流に合流した一系統の排出配管２２と、を備えている。

コンプレッサ２４により取り込まれた大気中の酸化ガスは、加湿器２０で酸化オフガスとの水交換により加湿される。加湿された酸化ガスは、供給配管２１から配管２１Ａ，２１Ｂを介して二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに分配されるように供給される。この分配の配分量を調整するために、供給配管２１には、配管２１Ａ，２１Ｂとの分岐部に分配バルブ２９が設けられている。

燃料ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０に接続された一つの流体系統である供給配管３１と、供給配管３１の下流で分岐した二系統の配管３１Ａ，３１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される水素オフガスが流れる二系統の配管３２Ａ，３２Ｂと、配管３２Ａ，３２Ｂの下流に合流した一系統の循環配管３２と、供給配管３１に設けられた遮断弁付レギュレータ３３と、を備えている。

供給配管３１には、配管３１Ａ，３１Ｂとの分岐部に分配バルブ３９が設けられている。水素ガスは、供給配管３１から配管３１Ａ，３１Ｂを介して二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに分配されるように供給される。循環配管３２に設けられた気液分離器３４には、排出配管３５が接続されている。排出配管３５上の排出弁３６を開弁することで、気液分離器３４で回収した水分が、循環配管３２内の不純物を含む水素オフガスとともに排出配管３５を介して外部に排出される。循環ポンプ３７は、供給配管３１の分岐前の合流部３２ｃに戻すように、循環配管３２内の水素オフガスを圧送する。

冷媒配管系４は、一つの流体系統である供給配管４１と、供給配管４１の下流で分岐した二系統の配管４１Ａ，４１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される冷却水が流れる二系統の配管４２Ａ，４２Ｂと、配管４２Ａ，４２Ｂの下流に合流した一系統の配管４２と、を備えている。供給配管４１の上流側と配管４２の下流側とは、配管４３により接続されている。

供給配管４１には、配管４１Ａ，４１Ｂとの分岐部に分配バルブ４９が設けられている。冷却水は、供給配管４１から配管４１Ａ，４１Ｂを介して二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに分配されるように供給される。供給配管４１と配管４３との間には、冷媒を分配バルブ４９に圧送する冷却ポンプ４４が設けられ、配管４２と配管４３との間には、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出された冷媒を冷却するラジエータ４５が設けられている。

制御装置５は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するモジュール１０Ａ，１０Ｂへの流体（酸化ガス、燃料ガス、又は冷媒）の配分量の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

特に、制御装置５によって、流体供給手段としての酸化ガス配管系２、燃料ガス配管系３及び冷媒配管系４が、二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂの運転状態に応じて、二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂへの流体の配分量を制御する。

ここで、モジュール１０Ａ，１０Ｂの運転状態には、モジュール１０Ａ，１０Ｂの電圧、温度及び湿潤状態の少なくとも一つが含まれる。
一つのモジュール１０Ａ（又は１０Ｂ）の平均セル電圧は、例えば、単セルと同じ数だけある電圧センサ６０により検出されたセル電圧を平均化することによって算出される。電圧センサ６０は、単セルに対応して設けられ、制御装置５に接続される。したがって、制御装置５は、各モジュール１０Ａ，１０Ｂの平均セル電圧の演算を行う算出手段として機能する。

一つのモジュール１０Ａ（又は１０Ｂ）の温度は、例えば、配管４２Ａ（又は４２Ｂ）に設けた温度センサや、モジュール１０Ａの端部にある単セルに設けた温度センサによって検出される。

さらに、一つのモジュール１０Ａ（又は１０Ｂ）の湿潤状態は、例えば交流インピーダンス法によりモジュール１０Ａ（又は１０Ｂ）のインピーダンスを測定し、その測定結果から推定することができる。したがって、制御装置５は、各モジュール１０Ａ，１０Ｂの湿潤状態を検出するインピーダンス測定手段として機能する。なお、制御装置５が水収支を計算することにより、モジュール１０Ａ、１０Ｂの湿潤状態を検出するようにしてもよい。

以上、図１を参照して燃料電池システム１の基本構成を説明したが、図１では、図示の都合上、酸化ガス配管系２、燃料ガス配管系３及び冷媒配管系４の配管系統が簡略化されている。好ましい燃料電池システム１の配管系統では、各モジュール１０Ａ，１０Ｂの単セルの積層方向の一方の端部及び他方の端部のそれぞれから、酸化ガス、水素ガス、及び冷媒を各モジュール１０Ａ，１０Ｂ内に供給できるようになっている。

図２は、このような好ましい燃料電池システム１の配管系統の主要部を概略的に示す図である。
一つの流体系統である供給配管１０１は、分配バルブ１００Ｃの位置で二系統の配管１０１Ｌ，１０１Ｒに分岐される。

配管１０１Ｌは、分配バルブ１００Ｌの位置で二系統の配管１０１ＬＡ，１０１ＬＢに分岐される。配管１０１ＬＡ，１０１ＬＢは、モジュール１０Ａ，１０Ｂの一方の端部１１Ａ，１１Ｂを介してモジュール１０Ａ，１０Ｂ内の流路に連通する。
配管１０１Ｒは、分配バルブ１００Ｒの位置で二系統の配管１０１ＲＡ，１０１ＲＢに分岐される。配管１０１ＲＡ，１０１ＲＢは、モジュール１０Ａ，１０Ｂの他方の端部１２Ａ，１２Ｂを介してモジュール１０Ａ，１０Ｂ内の流路に連通する。

端部１１Ａ，１１Ｂには、モジュール１０Ａ，１０Ｂ内の流体を外部に排出するための配管１０２ＬＡ，１０２ＬＢが接続され、配管１０２ＬＡ，１０２ＬＢは、配管１０２Ｌに合流する。一方、端部１２Ａ，１２Ｂには、モジュール１０Ａ，１０Ｂ内の流体を外部に排出するための配管１０２ＲＡ，１０２ＲＢが接続され、配管１０２ＲＡ，１０２ＲＢは、配管１０２Ｒに合流する。そして、配管１０２Ｌと配管１０２Ｒとは、これらの下流側で一系統の排出配管１０２に合流する。

分配バルブ１００Ｃ、１００Ｌ、１００Ｒは、各種のバルブを用いることができ、ここではロータリーバルブで構成されている。分配バルブ１００Ｃ、１００Ｌ、１００Ｒは、制御装置５によって開度を制御されるものであり、印加される電圧の大きさによって分配割合を比例的に変更することができる（図３参照）。すなわち、分配バルブ１００Ｃ、１００Ｌ、１００Ｒの開度を制御することで、分配バルブ１００Ｃ、１００Ｌ、１００Ｒが分配しようとする流体の配分量を任意に決定できる

図３に示すように、例えば、分配バルブ１００Ｃの印加電圧がＶ₁₁であるとき、配管１０１の流体は配管１０１Ｌにのみ流入する。また、分配バルブ１００Ｌの印加電圧がＶ₁₂であるとき、配管１０１Ｌの流体は配管１０１ＬＡ，１０１ＬＢに均等に分配される。さらに、分配バルブ１００Ｒの印加電圧がＶ₁₃であるとき、配管１０１Ｒの流体は配管１０１ＲＢにのみ流入する。

ここで、図１に示す配管系統を図２に示す配管系統に適用した構成すると、その以下のとおりとなる。すなわち、酸化ガス、燃料ガス及び冷媒に関する分配バルブ２９，３９及び４９がそれぞれ二つあり、その二つが分配バルブ１００Ｌ、１００Ｒに相当する。そして、この二つの分配バルブの上流に更に、分配バルブ１００Ｃに相当する分配バルブがあり、この分配バルブが供給配管２１，３１，４１の下流端に位置する。

例えば、酸化ガス配管系３に着目して説明すれば、供給配管２１は、供給配管１０１、配管１０１Ｌ、１０１Ｒに対応する。配管２１Ａは、配管１０１ＬＡ、１０１ＲＡに対応し、配管２１Ｂは、配管１０１ＬＢ，１０１ＲＢに対応する。配管２２Ａは、配管１０２ＬＡ，１０２ＲＡに対応し、配管２２Ｂは、配管１０２ＬＢ、１０２ＲＢに対応する。排出配管２２は、配管１０２Ｌ，１０２Ｒ、排出配管１０２に対応する。分配バルブ２９は、分配バルブ１００Ｌ、１００Ｒに対応する。

燃料ガス配管系４及び冷媒配管系５についても、酸化ガス配管系３と同様に、図２に示す構成に対応する。その個々の対応した説明については言うまでもないので、ここでは割愛する。以下では、酸化ガス、燃料ガス、及び冷媒の全ての流体に図２の配管系統を適用した場合の流体配分量の制御について説明する。

図４は、燃料電池スタック１０のセル電圧をモニタリングした一例を示す図である。
横軸はセル積層方向における単セルの位置を示し、縦軸は各単セルの電圧を示している。横軸上のＮよりも左側の領域が、モジュール１０Ａの運転状態における各単セルの電圧を示している。モジュール１０Ａの総マイナス側である単セル１４Ａは、端部１１Ａに最も近い単セルであり、総プラス側である単セル１５Ａは、端部１２Ａに最も近い単セルである。

横軸のＮよりも右側の領域が、モジュール１０Ｂの運転状態における各単セルの電圧を示している。モジュール１０Ｂの総マイナス側である単セル１４Ｂは、端部１１Ｂに最も近い単セルであり、総プラス側である単セル１５Ｂは端部１２Ｂに最も近い単セルである。

図４に示すように、モジュール１０Ａ、１０Ｂ間では、セル積層方向におけるセル電圧は一定でなく、バラツキがある。また、モジュール１０Ａにおける単セル間でも、セル電圧にバラツキがあり、同様に、モジュール１０Ｂにおける単セル間でも、セル電圧にバラツキがある。セル電圧のバラツキの原因はセル電圧の低下であり、セル電圧の低下は特に端部セルにおいて大きい場合が多い。図４に示す一例では、単セル１５Ｂのセル電圧が最も低下している。

次に、図２及び図５〜図９を参照して、モジュール１０Ａ、１０Ｂの通常運転状態で、電圧が低下した場合の制御例について説明する。なお、通常運転状態とは、モジュール１０Ａ，１０Ｂが発電するように、電流要求から必要とされる酸化ガス及び水素ガスを必要ストイキで流している状態をいう。

（第１の制御例）
図５は、第１の制御例を示すフローチャートである。
通常運転状態中には、制御装置５は、次式（１）及び（２）の判断を行う（ステップＳ１０）。
△Ｖ_A＞△Ｖ_th ・・・（１）
△Ｖ_B＞△Ｖ_th ・・・（２）

ここで、△Ｖ_thは、判定閾値である。
また、△Ｖ_A及び△Ｖ_Bは、次のような値である。
△Ｖ_A＝Ｖ_A+B−Ｖ_A
△Ｖ_B＝Ｖ_A+B−Ｖ_B

ただし、Ｖ_A及びＶ_Bは、それぞれ、モジュール１０Ａ及び１０Ｂの平均セル電圧である。また、Ｖ_A+Bは、二つのモジュール１０Ａ、１０Ｂの平均セル電圧、すなわち燃料電池スタック１０の平均セル電圧である。これら平均セル電圧Ｖ_A、Ｖ_B及びＶ_A+Bの算出や、その算出に基づく△Ｖ_A及び△Ｖ_Bの算出は、制御装置５によって行われる。

制御装置５は、次式（１）及び（２）のどちらかが成り立つと判断した場合には（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、次の判断を行う（ステップＳ１１）。
△Ｖ_A＜△Ｖ_B ・・・（３）

式（３）が成立するということは、モジュール１０Ｂの平均セル電圧が低下していることを意味する。この場合には（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、制御装置５は、モジュール１０Ｂの配分量が増加するように、反応ガスに関する分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの開度を制御する（ステップＳ１２）。具体的には、酸化ガス及び水素ガスについての分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの分配割合が、通常運転状態における分配割合に比べて、モジュール１０Ａよりもモジュール１０Ｂの方が大きくなるように設定される。

一方、式（３）が成立しないということは、モジュール１０Ａの平均セル電圧が低下していることを意味する。この場合には（ステップＳ１１：Ｎｏ）、制御装置５は、モジュール１０Ａの配分量が増加するように、反応ガスに関する分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの開度を制御する（ステップＳ１３）。具体的には、酸化ガス及び水素ガスについての分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの分配割合が、通常運転状態における分配割合に比べて、モジュール１０Ｂよりもモジュール１０Ａの方が大きくなるように設定される。

このように、平均セル電圧が相対的に安定側のモジュールへの反応ガスの流量を制限し、平均セル電圧が相対的に低下側のモジュールへの反応ガスの流量を増やしている。これにより、モジュール１０Ａ，１０Ｂへの流体の配分量が一時的にコントロールされるので、平均セル電圧が相対的に低下したモジュールの電圧低下を回復でき、このモジュールの運転状態を正常時（通常運転状態）に近づけることができる。したがって、モジュール１０Ａ，１０Ｂ間において、平均セル電圧を均一にできる。

なお、上記のステップＳ１２及びＳ１３において、分配バルブ１００Ｃの分配割合が例えば５０：５０で、分配バルブ１００Ｌ及び１００Ｒの両方に反応ガスが供給されている場合には、分配バルブ１００Ｌ及び１００Ｒの両方の開度を上記のように設定するとよい。この場合、モジュールの総マイナス側及び総プラス側のうちセル電圧の低下が大きい方に、反応ガスが多く供給されるように、分配バルブ１００Ｃの開度を制御することが好ましい。例えば、ステップＳ１２において、総マイナス側（端部１１Ａ側）の方がセル電圧の低下が大きければ、分配バルブ１００Ｃの分配割合は、端部１１Ｂ側よりも端部１１Ａ側に多くの反応ガスが供給されるように設定されるとよい。

一方、ステップＳ１２及びＳ１３において、分配バルブ１００Ｃの分配割合が１００：０のように、分配バルブ１００Ｌ及び１００Ｒの一方にのみ反応ガスが供給されている場合もある。この場合には、当該分配バルブ１００Ｌ及び１００Ｒの一方についてのみ、上記のように開度を設定すればよい。

（第２の制御例）
図６は、第２の制御例を示すフローチャートである。
第２の制御例は、制御装置５がモジュール１０Ａ、１０Ｂ内をウエット状態と判定している場合に有用なものである。

第２の制御例では、第１の制御例のステップＳ１０及びＳ１１（図５）と同様に、ステップＳ２０及びＳ２１が実行される。そして、モジュール１０Ｂの平均セル電圧が低下していると判断した場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、制御装置５は、モジュール１０Ａへの水素ガスの供給が遮断されるように、水素ガスに関する分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒを制御する（ステップＳ２２）。具体的には、水素ガスについての分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの分配割合を１００：０とし、モジュール１０Ｂにのみ水素ガスが供給されるようにする。

一方、ステップＳ２１において、モジュール１０Ａの平均セル電圧が低下していると判断した場合には（ステップＳ２１：Ｎｏ）、制御装置５は、水素ガスに関する分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの分配割合を０：１００とし、モジュール１０Ｂへの水素ガスの供給を遮断し、モジュール１０Ａにのみ水素ガスが供給されるようにする（ステップＳ２３）このようにして、平均セル電圧が相対的に低下側のモジュールに対して、水素ガスの配分量を増やしている。

その後は、ステップＳ２４へと進み、ステップＳ２０と同様の判定が行われる。そして、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの平均セル電圧の差分△Ｖ_A又は△Ｖ_Bが判定閾値△Ｖ_th
よりも大きい場合には（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１と同様の判定が行われる（ステップＳ２５）。

その結果、モジュール１０Ｂの平均セル電圧が低下していると判断された場合には（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、モジュール１０Ｂにのみ酸化ガスが供給されるようになる（ステップＳ２６）。一方、モジュール１０Ａの平均セル電圧が低下していると判断された場合には（ステップＳ２５：Ｎｏ）、モジュール１０Ａにのみ酸化ガスが供給されるようになる（ステップＳ２７）。このようにして、平均セル電圧が相対的に低下したモジュールへの酸化ガスの流量を増やしている。

以上のような第２の制御例によれば、平均セル電圧が相対的に低下したモジュールへの水素ガス及び酸化ガスの流量を増やしているので、このモジュールの電圧低下を回復できる。また、第２の制御例によれば、いずれのモジュール１０Ａ，１０Ｂも乾燥気味に運転できるので、ウエット状態を解消できる。したがって、本制御例によっても、各モジュール１０Ａ，１０Ｂの運転状態に応じて流量配分を最適に制御できる。

なお、モジュール１０Ａ、１０Ｂ内がドライ状態と判定されている場合には、モジュール１０Ａ，１０Ｂをウエット状態に移行させることが必要となる。この場合には、図６におけるステップＳ２２とステップＳ２６を入れ替えると共に、ステップＳ２３とステップＳ２７とを入れ替えると良い。

（第３の制御例）
次に、モジュール１０Ａ，１０Ｂの湿潤状態に応じて、モジュール１０Ａ，１０Ｂへの冷却水の配分量を制御する例について図２を用いて説明する。

インピーダンス測定により、例えば、モジュール１０Ａ内がウエット状態であり、モジュール１０Ｂ内がドライ状態であると検出された場合には、モジュール１０Ａの温度を上昇させ且つモジュール１０Ｂの温度を下降させるように、分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒを制御するとよい。

具体的には、モジュール１０Ａよりもモジュール１０Ｂに対して、多くの冷却水が供給されるように、分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒの開度を制御する。このような冷却水の配分量の制御を実行することで、モジュール１０Ａの湿度を下げ、且つモジュール１０Ｂの湿度を上げることができる。したがって、モジュール１０Ａ，１０Ｂ間の湿度分布を均一にでき、セル電圧を安定させることができる。

（第４の制御例）
図７は、第４の制御例を好適に実行可能な燃料電池システム１の配管系統の主要部を概略的に示す図である。図２に示す配管系統との相違点は、モジュール１０Ａ及び１０Ｂの総マイナス側に、温度センサＴａｌ及びＴｂｌ、並びに電圧センサＶａｌ及びＶｂｌを設け、モジュール１０Ａ及び１０Ｂの総プラス側に、温度センサＴａｒ及びＴｂｒ、並びに電圧センサＶａｒ及びＶｂｒを設けたことである。モジュール１０Ａは燃料電池車両に搭載した場合に進行方向前方に位置し、モジュール１０Ｂはその進行方向後方に位置する。その他の構成は、図２と同様であるので、図２と同じ符号を付してその説明を割愛する。

以下では、モジュール１０Ａ及び１０Ｂの総マイナス側を左側として、また、総プラス側を右側として説明する場合がある。また、モジュール１０Ａの側を前側とし、モジュール１０Ｂの側を後側として説明する場合がある。したがって、例えば、分配バルブ１００Ｃを「左閉め方向」へ制御するという説明では、モジュール１０Ａ及び１０Ｂの左側への流体の配分量が減り、右側への流体の配分量が増えることを意味する。また、分配バルブ１００Ｌ又は１００Ｒを「前閉め方向」へ制御するという説明では、モジュール１０Ａへの流体の配分量が減り、モジュール１０Ｂへの流体の配分量が増えることを意味する。

また、以下の説明では、各温度センサＴａｌ、Ｔｂｌ、Ｔａｒ及びＴｂｒにより検出された温度値を、対応する各温度センサと同じ符号（例えば、Ｔａｌ）で示すこととする。同様に、各電圧センサＶａｌ、Ｖｂｌ、Ｖａｒ及びＶｂｒにより検出された電圧値を、対応する各温度センサと同じ符号（例えば、Ｖａｌ）で示すこととする。なお、温度センサＴａｌ、Ｔｂｌ及び電圧センサＶａｌ、Ｖｂｌは、端部１１ａ及び１１ｂに最も近い単セル１４Ａ及び１４Ｂに設けることが好ましく、また、温度センサＴａｒ、Ｔｂｒ及び電圧センサＶａｒ、Ｖｂｒは、端部１２ａ及び１２ｂに最も近い単セル１５Ａ及び１５Ｂに設けることが好ましい。

図８は、第４の制御例を示すフローチャートである。
この第４の制御例は、各モジュール１０Ａ、１０Ｂが目標の電圧分布となるように、各モジュール１０Ａ、１０Ｂの電圧に応じて、各モジュール１０Ａ、１０Ｂへの反応ガスの配分量を制御するものである。

燃料電池システム１の起動が開始されると（ステップＳ３０）、電流要求から必要とされる酸化ガス及び水素ガスを必要ストイキで流し、モジュール１０Ａ，１０Ｂを発電させる（ステップＳ３１）。つまり、モジュール１０Ａ，１０Ｂは、通常運転状態となる。

次に、制御装置５は、次式（４）〜（７）の判断を行う（ステップＳ３２）。
ここで、Ｖ₂は、要求電圧値を示す所定の閾値である。
Ｖａｒ＜Ｖ₂ ・・・（４）
Ｖａｌ＜Ｖ₂ ・・・（５）
Ｖｂｒ＜Ｖ₂ ・・・（６）
Ｖｂｌ＜Ｖ₂ ・・・（７）

制御装置５は、式（４）〜（７）のいずれも満たしている場合には（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、次式（８）が成立するように、余分に酸化ガス及び水素ガスを流すようにする（ステップＳ３３）。
（Ｖａｒ＋Ｖａｌ＋Ｖｂｒ＋Ｖｂｌ）／４＝Ｖ₂ ・・・（８）

一方、制御装置５は、式（４）〜（７）のいずれか満たしていない場合や（ステップＳ３２：Ｎｏ）、ステップＳ３３の処理を実行した場合には、次の判断を行う（ステップＳ３４）。
Ｖａｒ＋Ｖｂｒ＜Ｖａｌ＋Ｖｂｌ ・・・（９）

式（９）が成立するということは、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの総プラス側（右側）で相対的に電圧低下が起きていることを意味する。この場合には（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、酸化ガス及び水素ガスに関する分配バルブ１００Ｃを「左閉め方向」に制御し、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの総プラス側への酸化ガス及び水素ガスの配分量を増加させる（ステップＳ３５）。

一方、式（９）が成立しないということは、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの総マイナス側（左側）で相対的に電圧低下が起きていることを意味する。この場合には（ステップＳ３４：Ｎｏ）、酸化ガス及び水素ガスに関する分配バルブ１００Ｃを「右閉め方向」に制御し、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの総マイナス側への酸化ガス及び水素ガスの配分量を増加させる（ステップＳ３６）。

このようなステップＳ３５又はＳ３６の実行により、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの左右への酸化ガス及び水素ガスの配分量が最適に制御される。これにより、モジュール１０Ａ及び１０Ｂをそれぞれ左右均一な電圧にすることができる。

続いて、ステップＳ３７及びステップ３８へと処理が進む。
ステップＳ３７では、制御装置５は、モジュール１０Ａ、１０Ｂ間の総プラス側における電圧の差について判断するべく、次の判断を行う。
Ｖａｒ＜Ｖｂｒ ・・・（１０）

そして、モジュール１０Ｂの総プラス側の電圧が低下していると判断した場合には（ステップ３７：Ｎｏ）、酸化ガス及び水素ガスに関する分配バルブ１００Ｒを「前閉め方向」に制御し、モジュール１０Ｂへの酸化ガス及び水素ガスの配分量を増加させる（ステップＳ３９）。一方、モジュール１０Ａの総プラス側の電圧が低下していると判断した場合には（ステップ３７：Ｙｅｓ）、酸化ガス及び水素ガスに関する分配バルブ１００Ｒを「後閉め方向」に制御し、モジュール１０Ａへの酸化ガス及び水素ガスの配分量を増加させる（ステップＳ４０）。

また、ステップＳ３８では、モジュール１０Ａ、１０Ｂ間の総マイナス側における電圧の差について判断される。その判断は、次式（１１）が成立するか否かである。
Ｖａｌ＜Ｖｂｌ ・・・（１１）

そして、モジュール１０Ｂの総マイナス側の電圧が低下していると判断した場合には（ステップ３８：Ｎｏ）、酸化ガス及び水素ガスに関する分配バルブ１００Ｌを「前閉め方向」に制御し、モジュール１０Ｂへの酸化ガス及び水素ガスの配分量を増加させる（ステップＳ４１）。一方、モジュール１０Ａの総マイナス側の電圧が低下していると判断した場合には（ステップ３８：Ｙｅｓ）、酸化ガス及び水素ガスに関する分配バルブ１００Ｌを「後閉め方向」に制御し、モジュール１０Ａへの酸化ガス及び水素ガスの配分量を増加させる（ステップＳ４２）。

このように、ステップＳ３９又はＳ４０が実行されると共に、ステップＳ４１又はＳ４２が実行されることにより、モジュール１０Ａ、１０Ｂへの酸化ガス及び水素ガスの配分量が最適に制御される。これにより、モジュール１０Ａ、１０Ｂ間を均一な電圧にすることができる。

したがって、第４の制御例によれば、モジュール１０Ａ、１０Ｂが目標の電圧分布となるように、モジュール１０Ａ及び１０Ｂにおけるセル積層方向の電圧分布、並びにモジュール１０Ａ、１０Ｂ間の電圧分布を均一にできる。したがって、モジュール１０Ａ、１０Ｂの部分的な性能劣化、経時劣化を好適に抑制できる。

（第５の制御例）
図９は、第５の制御例を示すフローチャートである。
第５の制御例は、図７に示す燃料電池システム１の配管系統で実行される。この第５の制御例では、各モジュール１０Ａ、１０Ｂが目標の温度分布となるように、各モジュール１０Ａ、１０Ｂの温度に応じて、各モジュール１０Ａ、１０Ｂへの冷却水の配分量が制御される。

燃料電池システム１の起動開始（ステップＳ５０）の直後では、各モジュール１０Ａ，１０Ｂには冷却水（ＬＬＣ）が供給されない（ステップＳ５１）。その後、各モジュール１０Ａ，１０Ｂは、発電反応により温度が徐々に上昇していく。

続いて、制御装置５は、次式（１２）〜（１５）の判断を行う（ステップＳ５２）。
ここで、Ｔ₁は、モジュール１０Ａ，１０Ｂに冷却水を流すことが要求されない温度（閾値）であり、発電温度よりも低い温度である。
Ｔａｒ＜Ｔ₁ ・・・（１２）
Ｔａｌ＜Ｔ₁ ・・・（１３）
Ｔｂｒ＜Ｔ₁ ・・・（１４）
Ｔｂｌ＜Ｔ₁ ・・・（１５）

式（１２）〜（１５）のいずれも満たしている場合には（ステップＳ５２：Ｙｅｓ）、ステップＳ５１に戻るが、そうでない場合（ステップＳ５２：Ｎｏ）、温度差をなくすために最低量Ｆ１の冷却水が流される（ステップＳ５３）。このとき、冷却水に関する分配バルブ１００Ｃ，１００Ｌ及び１００Ｒの分配割合は、例えば５０：５０に設定される。

その後、次式（１６）〜（１９）の判断が行われる（ステップＳ５４）。
ここで、Ｔ₂は、モジュール１０Ａ，１０Ｂが効率良く発電するのに要求される温度であり（閾値）、発電温度に近い温度である。したがって、Ｔ₂は、Ｔ₁よりも大きい。
Ｔａｒ＜Ｔ₂ ・・・（１６）
Ｔａｌ＜Ｔ₂ ・・・（１７）
Ｔｂｒ＜Ｔ₂ ・・・（１８）
Ｔｂｌ＜Ｔ₂ ・・・（１９）

式（１６）〜（１９）のいずれも満たす場合には（ステップＳ５４：Ｙｅｓ）、次式（２０）が成立するように冷却水が流される（ステップＳ５５）。
（Ｔａｒ＋Ｔａｌ＋Ｔｂｒ＋Ｔｂｌ）／４＝Ｔ₂ ・・・（２０）

一方、式（１６）〜（１９）のいずれかを満たさない場合や（ステップＳ５４：Ｎｏ）、ステップＳ５５の処理が実行された場合には、次の判断がなされる（ステップＳ５６）。
Ｔａｒ＋Ｔｂｒ＜Ｔａｌ＋Ｔｂｌ ・・・（２１）

式（２１）が成立する場合には（ステップＳ５６：Ｙｅｓ）、冷却水に関する分配バルブ１００Ｃを「右閉め方向」に制御し、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの総マイナス側への冷却水の配分量を増加させる（ステップＳ５７）。逆に、式（２１）が不成立の場合には（ステップＳ５６：Ｎｏ）、冷却水に関する分配バルブ１００Ｃを「左閉め方向」に制御し、モジュール１０Ａ又は１０Ｂの総プラス側への冷却水の配分量を増加させる（ステップＳ５８）。このようなステップＳ５７及びＳ５８の実行により、モジュール１０Ａ及び１０Ｂをそれぞれ左右均一な温度にすることができる。

その後は、ステップＳ５９及びステップ６０へと処理が進む。ステップＳ５９では、モジュール１０Ａ、１０Ｂ間の総プラス側における温度差について判断され、ステップＳ６０では、総マイナス側における温度差について判断される。

そして、モジュール１０Ｂの方の総プラス側の温度が低ければ（ステップＳ５９：Ｎｏ）、冷却水に関する分配バルブ１００Ｒが「前閉め方向」に制御される（ステップＳ６１）。逆に、モジュール１０Ａの方の総プラス側の温度が低ければ（ステップＳ５９：Ｙｅｓ）、冷却水に関する分配バルブ１００Ｒが「後閉め方向」に制御される（ステップＳ６２）。

また、モジュール１０Ｂの方の総マイナス側の温度が低ければ（ステップＳ６０：Ｎｏ）、冷却水に関する分配バルブ１００Ｌが「前閉め方向」に制御される（ステップＳ６３）。逆に、モジュール１０Ａの方の総マイナス側の温度が低ければ（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）、冷却水に関する分配バルブ１００Ｌが「後閉め方向」に制御される（ステップＳ６４）。このような処理により、モジュール１０Ａ、１０Ｂ間を均一な温度にすることができる。

したがって、第５の制御例によれば、モジュール１０Ａ、１０Ｂが目標の温度分布となるように、モジュール１０Ａ及び１０Ｂにおけるセル積層方向の温度分布、並びにモジュール１０Ａ、１０Ｂ間の温度分布を均一にできる。したがって、モジュール１０Ａ、１０Ｂの部分的な性能劣化、経時劣化を好適に抑制できる。

以上、第１〜第５の制御例を単独で実行する場合について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限り、第１〜第５の制御例を適宜組み合わせて実行しても良い。また、分配バルブ１００Ｃ，１００Ｌ，１００Ｒは上述した位置に限るものではなく、適宜設計変更可能である。

実施形態に係る燃料電池システムの基本的な構成図である。 好ましい実施形態に係る燃料電池システムの配管系統の主要部を概略的に示す図である。 実施形態に係る分配バルブの特性を示す図であり、分配バルブの印加電圧と分配割合との関係を示す図である。 実施形態に係る燃料電池スタックのセル電圧をモニタリングした一例を示す図である。 実施形態に係る燃料電池システムの第１の制御例を示すフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池システムの第２の制御例を示すフローチャートである。 実施形態に係る第４の制御例及び第５の制御例を好適に実行可能な燃料電池システムの配管系統の主要部を概略的に示す図である。 実施形態に係る燃料電池システムの第４の制御例を示すフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池システムの第５の制御例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…酸化ガス配管系（流体供給手段）、３…燃料ガス配管系（流体供給手段）、４…冷媒配管系（流体供給手段）、５…制御装置、１０Ａ，１０Ｂ…モジュール、１１Ａ，１１Ｂ…第１の端部、１２Ａ，１２Ｂ…第２の端部、１００Ｃ，１００Ｌ，１００Ｒ…分配バルブ

Claims (8)

1. 単セルを複数積層してなる制御対象モジュールを少なくとも二つ有する燃料電池スタックと、
   一つの流体系統から流体を前記少なくとも二つの制御対象モジュールに分配するように供給する流体供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記流体供給手段は、前記各制御対象モジュールの運転状態に応じて、前記各制御対象モジュールへの前記流体の配分量を制御する、燃料電池システム。
2. 前記流体供給手段は、一つの制御対象モジュールの運転状態が正常時とは異なる場合に、当該運転状態が正常時に近づくように、残りの制御対象モジュールへの前記流体の配分量を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記各制御対象モジュールの平均セル電圧を算出する算出手段を備えており、
   前記流体系統の流体は、前記単セルの発電に用いられる反応ガスであり、
   前記流体供給手段は、前記算出手段による算出の結果、相対的に平均セル電圧が低下している制御対象モジュールへの前記反応ガスの配分量を増加させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記各制御対象モジュールの運転状態は、当該各制御対象モジュールの湿潤状態であり、
   前記流体系統の流体は、前記単セルを冷却するための冷媒である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 前記各制御対象モジュールの温度を検出する検出手段を備えおり、
   前記流体系統の流体は、前記単セルを冷却するための冷媒であり、
   前記流体供給手段は、前記検出手段による検出の結果、相対的に温度が低下している制御対象モジュールへの前記冷媒の配分量を減少させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
6. 前記各制御対象モジュールは、前記単セルの積層方向における第１の端部と、当該第１の端部とは反対側の第２の端部と、を備え、
   前記流体供給手段は、前記第１の端部及び前記第２の端部のそれぞれから、前記各制御対象モジュールに前記流体を供給可能に構成されている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記流体供給手段は、前記各制御対象モジュールの端部にある単セルの運転状態に応じて、前記各制御対象モジュールへの前記流体の配分量を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 単セルを複数積層してなる制御対象モジュールを少なくとも二つ有する燃料電池スタックの流体配分方法であって、
   一つの流体系統から前記各制御対象モジュールに分配するように供給する流体の配分量を、当該各制御対象モジュールの運転状態に応じて制御する、燃料電池スタックの流体配分方法。

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