JP2008277115A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】流路形成部材に保持される水の量のバラツキを低減させる。
【解決手段】燃料電池システムは、膜電極接合体と、膜電極接合体に供給される反応ガスの流路を形成する流路形成部材と、を複数組含む燃料電池と、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、各流路形成部材に保持される水の量を増大させるための処理を実行する処理実行部と、を備える。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、通常、複数の膜電極接合体を含んでいる。各膜電極接合体の一方の側には、酸化ガスの流路を形成する流路形成部材が設けられている。各膜電極接合体では、発電に伴って水が生成される。生成された水の一部は、各流路形成部材に保持される。
特開２００６−２２１８５３号公報
ところで、各流路形成部材に保持される水の量は異なっている。各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが大きくなると、各膜電極接合体の発電性能のバラツキが大きくなり、燃料電池の出力電圧が低下したり、燃料電池が発電を継続できなくなったりする。
従来では、酸化ガスの流量を増大させることによって、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されていた。しかしながら、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを低減させることのできる他の手法が要望されていた。
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを他の手法で低減させることを目的とする。
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］ 燃料電池システムであって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体に供給される反応ガスの流路を形成する流路形成部材と、を複数組含む燃料電池と、
前記各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、前記各流路形成部材に保持される水の量を増大させるための処理を実行する処理実行部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
このシステムでは、上記の処理を実行することによって、各流路形成部材に保持される水の量を増大させることができ、この結果、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを低減させることができる。
［適用例２］ 適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、前記燃料電池の負荷が低減される場合に、前記処理を実行する、燃料電池システム。
燃料電池の負荷が低減される場合には、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが大きくなり易い。しかしながら、上記のようにすれば、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを効率よく低減させることができる。
［適用例３］ 適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、定期的に前記処理を実行する、燃料電池システム。
こうすれば、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを容易に低減させることができる。
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、
前記燃料電池に反応ガスを供給する供給部を備え、
前記処理は、前記供給部によって前記燃料電池に供給される反応ガスの流量を低減させる処理を含む、燃料電池システム。
こうすれば、各流路形成部材によって形成される反応ガスの流路に供給される流量を低減させることができ、この結果、各流路形成部材に保持される水の量を増大させることができる。
［適用例５］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、
前記燃料電池から排出された反応ガスが通る通路に設けられた弁を備え、
前記処理は、前記弁の開度を低減させる処理を含む、燃料電池システム。
こうすれば、各流路形成部材によって形成される反応ガスの流路の圧力を増大させることができ、この結果、各流路形成部材に保持される水の量を増大させることができる。
［他の適用例］ 適用例１ないし３のいずれかに燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、
前記燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿部を備え、
前記処理は、前記加湿部が反応ガスの加湿量を増大させる処理を含む、燃料電池システム。
［他の適用例］ 適用例１ないし３のいずれかに燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、
前記燃料電池を冷却するための冷却部を備え、
前記処理は、前記冷却部が前記燃料電池内部の温度を低下させる処理を含む、燃料電池システム。
［他の適用例］ 適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記処理実行部は、
前記各流路形成部材に保持される水の量のバラツキに関連する物理量を検出する検出部を備え、
前記処理実行部は、
前記検出結果に基づいて、前記処理を実行する、燃料電池システム。
この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載する移動体、該燃料電池システムの制御方法、これらの方法または装置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。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池に水素ガス（燃料ガス）を供給するための燃料ガス供給部２００と、燃料電池に酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給部３００と、燃料電池システム全体の動作を制御する制御回路６００と、を備えている。
燃料電池１００には、燃料ガスが通る燃料ガス通路２０１と、使用済みの燃料オフガスが通る燃料オフガス通路２０２と、が接続されている。また、燃料電池１００には、酸化ガスが通る酸化ガス通路３０１と、使用済みの酸化オフガスが通る酸化オフガス通路３０２と、が接続されている。そして、燃料オフガス通路２０２と酸化オフガス通路３０２とは、下流側で合流オフガス通路４０１に接続されている。
燃料ガス供給部２００は、水素ガスタンク２２０と、減圧弁２３６と、流量制御弁２３８と、を備えている。水素ガスタンク２２０は、水素ガス（燃料ガス）を比較的高い圧力で貯蔵する。減圧弁２３６は、水素ガスタンク２２０から排出された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁２３８は、燃料ガスの流量を調整して、燃料電池１００に供給する。
燃料ガス供給部２００は、さらに、気液分離器２４０と、循環ポンプ２５０と、遮断弁２６０と、を備えている。気液分離器２４０と遮断弁２６０とは、燃料オフガス通路２０２に設けられている。循環ポンプ２５０は、燃料オフガス通路２０２と燃料ガス通路２０１とを接続する循環通路２０３に設けられている。なお、循環通路２０３の上流側の端部は、気液分離器２４０と遮断弁２６０との間で燃料オフガス通路２０２に接続されており、下流側の端部は、流量制御弁２３８の下流側で燃料ガス通路２０１に接続されている。
気液分離器２４０は、燃料オフガス中に含まれる過剰な水蒸気を除去する。気液分離器２４０によって除去された水は、排出弁２４２を介して、燃料オフガス通路２０２に排出される。
循環ポンプ２５０は、水素ガス濃度の比較的低い燃料オフガスを、燃料ガスとして燃料ガス通路２０１内に戻す機能を有している。このため、燃料ガスは環状通路内を循環する。このように燃料ガスを循環させることにより、燃料電池に単位時間当たりに供給される水素ガス流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を増大させることができ、この結果、燃料電池における反応効率を向上させることができる。ただし、燃料電池における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ）は低減する。また、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、本実施例では、流量制御弁２３８と遮断弁２６０とを間欠的に開状態に設定して、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池に供給すると共に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを燃料電池から排出する。使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路２０２と合流オフガス通路４０１とを介して大気に排出される。
酸化ガス供給部３００は、コンプレッサ３１０と、加湿量調整弁３２０と、圧力調整弁３４０と、加湿器３５０と、を備えている。コンプレッサ３１０と加湿量調整弁３２０とは、酸化ガス通路３０１に設けられている。圧力調整弁３４０と加湿器３５０とは、酸化オフガス通路３０２に設けられている。
コンプレッサ３１０は、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を燃料電池１００に向けて供給する。加湿量調整弁３２０は、加湿器３５０と並列に設けられている。加湿量調整弁３２０の開度が小さい場合には、加湿器３５０を経由する酸化ガスの量が大きいため、燃料電池１００に供給される酸化ガスの加湿量は大きくなる。一方、加湿量調整弁３２０の開度が小さい場合には、加湿器３５０を経由する酸化ガスの量が小さいため、燃料電池１００に供給される酸化ガスの加湿量は小さくなる。
圧力調整弁３４０は、燃料電池１００の背圧（酸化オフガスの排出口の圧力）を調整する機能を有する。加湿器３５０は、酸化オフガス中に含まれる水および水蒸気を利用して、酸化ガスを加湿する。なお、加湿器３５０としては、例えば、中空糸膜式加湿器を利用することができる。酸化オフガスは、酸化オフガス通路３０２と合流オフガス通路４０１とを介して大気に排出される。
また、燃料電池システムには、燃料電池１００を冷却するための冷却部５００が設けられている。冷却部５００は、冷却液の温度を低下させる熱交換器５１０と、冷却液を循環させる循環ポンプ５２０と、を備えている。冷却部５００は、燃料電池１００に冷却液を供給することによって燃料電池１００内部の温度を低下させる。
図２は、燃料電池１００の内部構造を模式的に示す説明図である。燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型の燃料電池であり、燃料ガス供給部２００から供給される水素ガス（燃料ガス）と、酸化ガス供給部３００から供給される酸化ガス（空気）中の酸素ガスと、を利用して発電する。
燃料電池１００は、交互に積層された複数の発電ユニット１１０と複数のセパレータ１２０とを含んでいる。
発電ユニット１１０は、電解質膜１１２を含んでおり、電解質膜１１２の第１の面側には、第１の電極触媒層（アノード）１１４ａと第１のガス拡散層１１６ａとがこの順に設けられており、電解質膜１１２の第２の面側には、第２の電極触媒層（カソード）１１４ｃと第２のガス拡散層１１６ｃとがこの順に設けられている。
発電ユニット１１０の両側には、セパレータ１２０が配置されている。そして、発電ユニット１１０と第１のセパレータ１２０との間には、第１のガス拡散層１１６ａに接触する第１の多孔質体１３０ａが配置されており、発電ユニット１１０と第２のセパレータ１２０との間には、第２のガス拡散層１１６ｃに接触する第２の多孔質体１３０ｃが配置されている。
第１の多孔質体１３０ａによって形成される第１の流路には、燃料ガス供給部２００から供給された燃料ガスが流通し、第２の多孔質体１３０ｃによって形成される第２の流路には、酸化ガス供給部３００から供給された酸化ガスが流通する。そして、燃料ガスと酸化ガスとは、発電ユニット１１０において電気化学反応に利用される。
なお、電解質膜１１２としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができる。電極触媒層１１４ａ，１１４ｃとしては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた層を用いることができる。ガス拡散層１１６ａ，１１６ｃは、カーボンペーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成される。多孔質体１３０ａ，１３０ｃは、ガス透過性および導電性を有する部材であり、例えば、ステンレス鋼やチタン等の金属を用いて形成される。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いることができる。
また、本実施例では、セパレータ１２０は、３つのプレートで構成されている。中間に配置されたプレートには、冷却部５００から供給された冷却液が流通する冷却液流路１２８が設けられている。セパレータ１２０の各プレートは、例えば、ステンレス鋼や、チタン、チタン合金などの導電性を有する金属製の板材で形成される。
Ａ−２．多孔質体による水の保持：
本実施例では、ガス拡散層１１６ａ，１１６ｃには、撥水処理が施されている。また、多孔質体１３０ａ，１３０ｃには、導電率を増大させるために、金メッキが施されている。金メッキを施すことによって、多孔質体１３０ａ，１３０ｃの親水性が高めらる。また、セパレータ１２０には、導電率を増大させるために、金メッキが施されている。金メッキを施すことによって、セパレータ１２０の親水性が高められる。
各発電ユニット１１０における電気化学反応の進行に伴って、各発電ユニット１１０では水が生成される。具体的には、各発電ユニット１１０のカソード側の電極触媒層１１４ｃにおいて、水（生成水）が生成される。生成された水は、ガス拡散層１１６ｃを介して、多孔質体１３０ｃ内部に流入する。本実施例では、ガス拡散層１１６ｃには撥水処理が施されているため、水は、速やかに多孔質体１３０ｃ内部に移動する。そして、水の一部は、多孔質体１３０ｃ内部に保持される。
図３は、多孔質体１３０ｃ内部に保持された水の分布を示す説明図である。図３（Ａ）は、保持される水の量が比較的少ない場合の水の分布を示し、図３（Ｂ）は、保持される水の量が比較的多い場合の水の分布を示している。
多孔質体１３０ｃに流入した水の一部は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、多孔質体１３０ｃのセパレータ１２０側の面付近に偏った状態で保持される。これは、多孔質体１３０ｃの一方の側に配置されたセパレータ１２０は、多孔質体１３０ｃの他方の側に配置されたガス拡散層１１６ｃよりも親水性が高いためである。
多孔質体１３０ｃ内部の水は、液体の状態で多孔質体１３０ｃから排出され得ると共に、気体の状態で多孔質体１３０ｃから排出され得る。具体的には、多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量が大きい場合には、水は、主に、酸化ガスの流速に応じて液体の状態で多孔質体１３０ｃから持ち去られる。一方、多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量が小さい場合には、水は、主に、蒸気圧に応じて気体の状態で多孔質体１３０ｃから持ち去られる。
ところで、多孔質体１３０ｃによって形成される流路は、多孔質体１３０ｃに最も多く水が保持される場合でも、完全に閉塞しない。例えば、多孔質体１３０ｃの多数の孔のうち、最大約８０％の孔に水が保持されるだけである。このため、多孔質体１３０ｃに最も多く水が保持される場合でも、酸化ガスは、ガス拡散層１１６ｃを介して電極触媒層１１４ｃに供給される。
なお、本実施例では、多孔質体１３０ｃに金メッキが施されており、セパレータ１２０に金メッキが施されているが、仮に、多孔質体１３０ｃおよびセパレータ１２０にメッキが施されていない場合にも、水は、多孔質体１３０ｃのセパレータ１２０側の面付近に分布する。すなわち、多孔質体１３０ｃおよびセパレータ１２０に対するメッキは省略可能である。
なお、仮に、セパレータ１２０に撥水処理が施されている場合には、水は、多孔質体１３０ｃの内部、すなわち、多孔質体１３０ｃのセパレータ１２０側の面とガス拡散層１１６ｃ側の面との中間の部分に保持される。
燃料電池１００には、複数の多孔質体１３０ｃが含まれている。各多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量は、同じであることが好ましい。また、各多孔質体１３０ｃに保持される水の量は、同じであることが好ましい。しかしながら、実際には、以下に説明するように、各多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量および各多孔質体１３０ｃに保持される水の量（含水量）は、異なっている。
燃料電池１００内部には、複数の発電ユニット１１０に、より具体的には、複数の多孔質体１３０ｃに酸化ガスを分配するための分配通路（マニホルドと呼ばれる）が設けられている。しかしながら、各多孔質体１３０ｃから見たときの分配通路の構造は、異なっている。また、各多孔質体１３０ｃの構造も、同一ではない。このため、仮に、各多孔質体１３０ｃに水が保持されていない場合でも、各多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量は異なる。したがって、各発電ユニット１１０で電気化学反応が進行するのに伴って各多孔質体１３０ｃに保持される水の量（含水量）も異なる。そして、各多孔質体１３０ｃの含水量が異なっていると、各多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量は、さらに大きく異なる。
各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキは、換言すれば、各多孔質体１３０ｃの酸化ガスの流量のバラツキは、燃料電池１００の出力特性を悪化させる。具体的には、一部の多孔質体１３０ｃの含水量が過度に大きくなる場合には、燃料電池１００の出力電圧が低下したり、燃料電池１００が発電を継続できなくなったりする。
したがって、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキ、換言すれば、各多孔質体１３０ｃを流通する酸化ガスの流量のバラツキは、小さいことが好ましい。従来では、酸化ガスの流量を過度に増大させ、各多孔質体１３０ｃに保持される水を液体の状態で排出することによって、各多孔質体１３０ｃに保持される水の量を低減させ、この結果、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキが低減されていた。しかしながら、本実施例では、他の手法で、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを低減させている。
Ａ−３．含水量のバラツキの低減処理：
図４は、各多孔質体の含水量のバラツキを低減させるための一連の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１１２では、制御回路６００は、所定の条件が満足されるか否かを判断する。本実施例では、所定の条件は、燃料電池１００の負荷が高負荷から低負荷に変更されたときに、より具体的には、燃料電池１００の負荷が所定量以上低下したときに、満足される。
なお、燃料電池１００の負荷の変化は、燃料電池１００に要求される出力電力の変化に基づいて、判断可能である。燃料電池１００の負荷は、換言すれば、燃料電池１００に要求される出力電力は、例えば、車両のユーザによるアクセルペダルの踏み込み量に応じて、変化する。
図５は、燃料電池の負荷と燃料電池内部の温度との関係を示す説明図である。図示するように、燃料電池の負荷が比較的高い時刻ｔａでは、燃料電池の温度は、比較的高い。一方、燃料電池の負荷が比較的低い時刻ｔｃでは、燃料電池の温度は、比較的低い。燃料電池の負荷が低下すると、燃料電池の温度は低下する。ただし、図示するように、温度は、負荷の低下に遅れて低下する。このため、燃料電池の負荷が低下した直後の時刻ｔｂでは、燃料電池の負荷が比較的低く、かつ、燃料電池の温度が比較的高い状態となる。この状態では、後述するように、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキが次第に大きくなる。そこで、本実施例では、ステップＳ１１２（図４）において、燃料電池１００の負荷が高負荷から低負荷に変更されたか否かが判断されている。
図６は、エアストイキ比と圧力損失との関係を模式的に示す説明図である。図中、横軸は、発電ユニット１１０に供給される酸化ガス（空気）の量に関するエアストイキ比（air stoichiometric ratio）を示している。縦軸は、発電ユニット１１０（より具体的には、多孔質体１３０ｃ）の圧力損失（ｋＰａ）を示している。すなわち、図６は、１つの発電ユニット１１０に供給される酸化ガスのエアストイキ比を変更したときの該発電ユニット１１０の圧力損失の変化を示している。
ここで、「エアストイキ比」は、発電ユニットに供給される酸化ガス（空気）の量と、発電ユニットにおいて発電に利用されるべき酸化ガス（空気）の量と、の比を示している。発電ユニットに供給される酸化ガス中の酸素ガスがすべて発電に利用される場合には、エアストイキ比は１．０である。燃料電池システムを動作させる際には、エアストイキ比は、通常、１．０よりも大きな値（例えば約１．５）に設定される。
曲線Ｃａは、図５の時刻ｔａにおける状態、すなわち、燃料電池の負荷が高く、かつ、燃料電池の温度が高い（約８０℃）状態のグラフである。曲線Ｃｃは、図５の時刻ｔｃにおける状態、すなわち、燃料電池の負荷が低く、かつ、燃料電池の温度が低い（約６０℃）状態のグラフである。曲線Ｃｂは、図５の時刻ｔｂにおける状態、すなわち、燃料電池の負荷が低く、かつ、燃料電池の温度が高い（約８０℃）状態のグラフである。なお、曲線Ｃｂ，Ｃｃは、実験結果に基づくグラフであり、曲線Ｃａは、予測に基づくグラフである。
曲線Ｃａ，Ｃｃから分かるように、燃料電池の負荷がほぼ一定のまま維持されている期間では、多孔質体１３０ｃの圧力損失は、エアストイキ比に応じてほぼ線形に変化する。なお、２つの曲線Ｃａ，Ｃｃは、負荷が互いに異なる場合のグラフであり、特定のエアストイキ比における曲線Ｃａの酸化ガスの流量は、該特定のエアストイキ比における曲線Ｃｃの酸化ガスの流量よりも大きい。このため、曲線Ｃａの圧力損失は、曲線Ｃｃの圧力損失よりも大きくなっている。
一方、曲線Ｃｂに示すように、燃料電池の負荷が高負荷から低負荷に変更された直後の期間では、多孔質体１３０ｃの圧力損失は、エアストイキ比に応じて単調に変化しない。具体的には、エアストイキ比が比較的大きな領域（図中右側の領域）、および、エアストイキ比が比較的小さな領域（図中左側の領域）では、圧力損失は、エアストイキ比に応じてほぼ線形に変化しているが、エアストイキ比約１．５付近には変曲点が存在する。なお、２つの曲線Ｃｂ，Ｃｃは、燃料電池の負荷が同じ場合のグラフであり、特定のエアストイキ比における曲線Ｃｂの酸化ガスの流量は、該特定のエアストイキ比における曲線Ｃｃの酸化ガスの流量と同じである。
曲線Ｃｂ，Ｃｃに注目すると、比較的小さな第１のエアストイキ比Ｒ１では、２つの曲線Ｃｂ，Ｃｃの圧力損失はほぼ等しい値となっているが、比較的大きな第２のエアストイキ比Ｒ２では、曲線Ｃｂの圧力損失は、曲線Ｃｃの圧力損失よりも小さくなっている。また、曲線Ｃｂの圧力損失は、第１のエアストイキ比Ｒ１と第２のエアストイキ比Ｒ２とでほぼ等しい値となっている。
曲線Ｃｃでは、図６に示すエアストイキ比の範囲（約１．１〜約２．０）において、多孔質体１３０ｃ内部は飽和蒸気圧となっていると考えられる。また、曲線Ｃｂでは、図６に示す比較的小さなエアストイキ比の範囲（約１．１〜約１．５）において、多孔質体１３０ｃ内部は飽和蒸気となっているが、図６に示す比較的大きなエアストイキ比の範囲（約１．５〜約２．４）において、多孔質体１３０ｃ内部は飽和蒸気となっていないと考えられる。このため、上記の現象が生じると考えられる。
具体的には、２つの曲線Ｃｂ，Ｃｃでは、燃料電池の負荷は共に低いが、燃料電池内部の温度は異なっている。具体的には、曲線Ｃｃでは、燃料電池内部の温度が低く、曲線Ｃｂでは、燃料電池内部の温度が高い。このため、曲線Ｃｃの図６に示すエアストイキ比の範囲では、多孔質体１３０ｃ内部の蒸気は飽和しており、温度（約６０℃）に応じた比較的少ない量の水蒸気が排出される。同様に、曲線Ｃｂの図６に示す比較的小さなエアストイキ比の範囲では、多孔質体１３０ｃ内部の蒸気は飽和しており、温度（約８０℃）に応じた比較的多くの量の水蒸気が排出される。一方、曲線Ｃｂの図６に示す比較的大きなエアストイキ比の範囲では、酸化ガスの流速が比較的大きいため、多孔質体１３０ｃ内部の蒸気は飽和していない。したがって、多孔質体１３０ｃに保持された水は、速やかに気化して排出される。このため、図６に示す比較的大きなエアストイキ比の範囲において、曲線Ｃｂの含水量は、曲線Ｃｃの含水量よりも小さくなる。この結果、図６に示す比較的大きなエアストイキ比の範囲では、曲線Ｃｂの圧力損失は、曲線Ｃｃの圧力損失よりも小さくなる。また、第２のエアストイキ比Ｒ２における曲線Ｃｂの含水量は、第１のエアストイキ比Ｒ１における曲線Ｃｂの含水量よりも小さくなる。この結果、酸化ガスの流量が異なるにも関わらず、曲線Ｃｂの圧力損失は、第１のエアストイキ比Ｒ１と第２のエアストイキ比Ｒ２とでほぼ等しい値となる。
なお、図６では、曲線Ｃｃは、変曲点を含んでいないが、より高いエアストイキ比（例えば約２．５以上）において変曲点を含むと考えられる。
図６では、１つの多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比が変更された場合の圧力損失が示されているが、複数の多孔質体１３０ｃの含水量が異なる場合には、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比および各多孔質体１３０ｃの圧力損失も異なる。
複数の多孔質体１３０ｃの含水量が異なる場合には、酸化ガスは、含水量の大きな一部の多孔質体にあまり供給されず、含水量の小さな他の一部の多孔質体に多く供給される。このとき、含水量の大きな一部の多孔質体からは水が排出され難くなり、含水量の小さな他の一部の多孔質体からは水が排出され易くなる。すなわち、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキは、次第に大きくなる。
そこで、本実施例では、図４のステップＳ１１４において、制御回路６００は、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを低減させるための低減処理を実行する。本実施例では、各多孔質体１３０ｃの含水量を増大させることによって、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキが低減される。
図７は、第１実施例におけるステップＳ１１４（図４）の具体的な処理を示すフローチャートである。ステップＳ２０２では、制御回路６００は、コンプレッサ３１０を制御して、酸化ガスの流量を低減させる。具体的には、制御回路６００は、コンプレッサ３１０の回転数を低減させる。
ステップＳ２０４では、制御回路６００は、圧力調整弁３４０を制御して、燃料電池１００の酸化オフガスの排出口の圧力（背圧）を増大させる。具体的には、制御回路６００は、圧力調整弁３４０の開度を低減させる。このとき、各多孔質体１３０ｃ内部の圧力は増大する。
図８は、ステップＳ２０２（図７）の処理の前後におけるエアストイキ比の分布を示す説明図である。図中、横軸は、多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比を示しており、縦軸は、対応するエアストイキ比で酸化ガスが供給される多孔質体１３０ｃの個数（頻度）を示している。なお、図８には、参考のために、図６の曲線Ｃｂ，Ｃｃが示されている。
曲線Ｄ１は、ステップＳ２０２の処理前におけるエアストイキ比の分布を示している。図示するように、ステップＳ２０２の処理前では、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比のバラツキは、換言すれば、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキは、大きい。なお、本実施例では、エアストイキ比のバラツキ（すなわち含水量のバラツキ）は、正規分布に従うと仮定している。
曲線Ｄ２は、ステップＳ２０２の処理後におけるエアストイキ比の分布を示している。ステップＳ２０２において、酸化ガスの流量が低減されると、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスの流量およびエアストイキ比は低減される。この結果、曲線Ｄ２に示すように、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比のバラツキは、換言すれば、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキは、小さくなる。
具体的には、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量が低減されることによって、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比の平均値が小さくなる。また、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスの流速が低減されるため、一部の多孔質体１３０ｃの内部の蒸気圧は、飽和していない状態から飽和した状態に変化する。すなわち、各多孔質体１３０ｃ内部が飽和蒸気圧となる。この結果、各多孔質体１３０ｃの含水量は大きくなる。ただし、前述したように、多孔質体１３０ｃによって形成される流路が完全に閉塞されることはない。このため、曲線Ｄ２に示すように、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比のバラツキは、換言すれば、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキは、小さくなる。
ところで、ステップＳ２０２において、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比が低減されると、燃料電池１００の出力電圧は低下する。
図９は、エアストイキ比とセル電圧との関係を示す説明図である。なお、図９には、ステップＳ２０２の処理前におけるエアストイキ比のバラツキ（図８の曲線Ｄ１）を示す範囲Ｗ１が示されている。また、図９には、ステップＳ２０２の処理後におけるエアストイキ比のバラツキ（図８の曲線Ｄ２）を示す範囲Ｗ２が示されている。なお、セル電圧は、発電ユニット１１０の２つの電極触媒層１１４ａ，１１４ｃ間の電圧を示している。
図示するように、セル電圧は、エアストイキ比が小さくなる程、換言すれば、含水量が大きくなる程、濃度過電圧に起因して小さくなる。
ステップＳ２０２の処理を実行することによって、エアストイキ比の平均値およびエアストイキ比のバラツキが小さくなると、燃料電池１００の複数の発電ユニット１１０の平均のセル電圧も小さくなってしまう。そこで、本実施例では、ステップＳ２０４で説明したように、背圧を増大させている。背圧を増大させることによって、図９に示すように、複数の発電ユニット１１０の平均のセル電圧を増大させることができ、この結果、燃料電池１００の出力電圧の低下を緩和することができる。
以上説明したように、本実施例では、ステップＳ２０２において酸化ガスの流量を低減させることによって、各多孔質体１３０ｃに保持される水の量を増大させることができ、この結果、各多孔質体１３０ｃに保持される水の量のバラツキを低減させることができる。
なお、本実施例では、ステップＳ２０４の処理が実行されているが、ステップＳ２０４の処理は省略可能である。ステップＳ２０４の処理が省略される場合にも、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを低減させることができる。ステップＳ２０４の処理が実行される場合には、背圧の増大に伴って、コンプレッサ３１０によって消費されるエネルギが増大する。したがって、ステップＳ２０４が省略される場合には、ステップＳ２０４の処理の実行に伴うコンプレッサ３１０によるエネルギの消費を低減させることができるという利点もある。
また、本実施例では、ステップＳ２０４の処理は、ステップＳ２０２の処理の後に実行されているが、同時に実行されてもよい。
以上の説明から分かるように、本実施例における電解質膜１１２と第１の電極触媒層１１４ａと第２の電極触媒層１１４ｃとが本発明における膜電極接合体に相当する。また、本実施例における第２の多孔質体１３０ｃが本発明における流路形成部材に相当する。さらに、本実施例におけるコンプレッサ３１０が本発明における供給部に相当し、コンプレッサ３１０と制御回路６００とが本発明における処理実行部に相当する。
なお、本実施例では、制御回路６００は、コンプレッサを制御することによって、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量を低減させているが、コンプレッサと燃料電池との間に流量制御弁が設けられている場合には、制御回路は、流量制御弁の開度を低減させることによって、酸化ガスの流量を低減させてもよい。この場合には、コンプレッサと流量制御弁とが本発明における供給部に相当する。
Ｂ．第２実施例：
第２実施例でも、図１に示す燃料電池システムが利用される。第２実施例の処理は、第１実施例の処理と同様であるが、ステップＳ１１４（図４）の具体的な処理が変更されている。
図１０は、第２実施例におけるステップＳ１１４（図４）の具体的な処理を示すフローチャートであり、図７に対応する。ステップＳ３０２では、制御回路６００は、圧力調整弁３４０を制御して、燃料電池１００の酸化オフガスの排出口の圧力（背圧）を増大させる。具体的には、制御回路６００は、圧力調整弁３４０の開度を低減させる。
ステップＳ３０２の処理が実行されると、各多孔質体１３０ｃ内部の圧力が増大する。このため、各多孔質体１３０ｃ内部の水蒸気は凝縮して液化し、各多孔質体１３０ｃの含水量は増大する。この結果、各多孔質体１３０ｃに供給される酸化ガスのエアストイキ比のバラツキは、換言すれば、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキは、低減される。
ただし、ステップＳ３０２の処理が実行される場合に、コンプレッサ３１０の回転数が一定に維持されていると、コンプレッサ３１０によって消費されるエネルギが増大する。
そこで、本実施例では、ステップＳ３０４の処理が実行される。ステップＳ３０４では、制御回路６００は、コンプレッサ３１０を制御して、酸化ガスの流量を低減させる。具体的には、制御回路６００は、コンプレッサ３１０の回転数を低減させる。これにより、コンプレッサ３１０によって消費されるエネルギの増大を緩和することができる。
以上説明したように、本実施例では、ステップＳ３０２において背圧を増大させることによって、各多孔質体１３０ｃに保持される水の量を増大させることができ、この結果、各多孔質体１３０ｃに保持される水の量のバラツキを低減させることができる。
なお、本実施例では、ステップＳ３０４の処理が実行されているが、ステップＳ３０４の処理は省略可能である。ステップＳ３０４の処理が省略される場合にも、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを低減させることができる。
また、本実施例では、ステップＳ３０４の処理は、ステップＳ３０２の処理の後に実行されているが、同時に実行されてもよい。
以上の説明から分かるように、本実施例における圧力調整弁３４０が本発明における弁に相当し、圧力調整弁３４０と制御回路６００とが本発明における処理実行部に相当する。
なお、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。
（１）第１実施例では、ステップＳ２０２（図７）において酸化ガスの流量を低減させることによって、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキが低減されている。また、第２実施例では、ステップＳ３０２（図１０）において、背圧を増大させることによって、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキが低減されている。しかしながら、ステップＳ１１４（図４）の処理としては、他の種々の手法を適用可能である。
例えば、燃料電池システムが酸化ガスの湿度を調整可能な湿度調整部を備えている場合には、制御回路は、該湿度調整部を制御して、酸化ガスの加湿量を増大させてもよい。具体的には、図１に示す燃料電池システムでは、制御回路６００は、加湿量調整弁３２０の開度を低減させることにより、酸化ガスの加湿量を増大させればよい。この場合には、各多孔質体１３０ｃに供給された酸化ガス中の水蒸気が液化して、各多孔質体１３０ｃの含水量が増大する。この結果、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを低減させることができる。
また、燃料電池システムが燃料電池内部の温度を調整可能な温度調整部を備えている場合には、制御回路は、該温度調整部を制御して、燃料電池内部の温度を低下させてもよい。例えば、図１に示す燃料電池システムに、さらに、熱交換器５１０を冷却する冷却器が設けられ、この冷却器によって、燃料電池に供給される冷却液が間接的に冷却されればよい。この場合には、図６の曲線Ｃｂを曲線Ｃｃに近づけることができる。具体的には、図６に示す比較的大きなエアストイキ比の範囲（約１．５〜約２．４）において、多孔質体１３０ｃ内部が飽和蒸気圧となり、各多孔質体１３０ｃの含水量が増大する。この結果、各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを低減させることができる。
一般には、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、各流路形成部材に保持される水の量を増大させる処理が実行されればよい。
（２）上記実施例では、ステップＳ１１４（図４）の処理は、ステップＳ１１２において燃料電池の負荷が所定量以上低下した場合に実行されているが、ステップＳ１１４の処理は、燃料電池の負荷が低下した場合に、負荷の低下量に関わらず、実行されてもよい。このように、燃料電池の負荷が低減される場合にステップＳ１１４の処理が実行されれば、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを効率よく低減させることができる。
（３）上記実施例では、ステップＳ１１４（図４）の処理は、ステップＳ１１２で説明したように、燃料電池の負荷が低減された場合に実行されているが、これに代えて、他のタイミングで実行されてもよい。
例えば、ステップＳ１１４の処理は、定期的に、換言すれば、所定の時間が経過する毎に実行されてもよい。こうすれば、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを容易に低減させることができる。
あるいは、ステップＳ１１４の処理は、多孔質体１３０ｃの含水量に関係する物理量の測定結果に応じて、実行されるようにしてもよい。具体的には、ステップＳ１１４の処理は、該物理量の測定結果に応じて得られる各多孔質体１３０ｃの含水量のバラツキを示す評価値が所定値よりも大きい場合に、実行されてもよい。こうすれば、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを確実に低減させることができる。
なお、上記の物理量としては、例えば、多孔質体１３０ｃの出口付近で測定される圧力または流量を利用することができる。また、上記のバラツキを示す評価値としては、例えば、標準偏差や分散を利用することができる。あるいは、バラツキを示す評価値としては、複数の測定値のうちの最大値と最小値との差分を利用することができる。
物理量が測定される場合には、すべての多孔質体のうちの一部の複数の多孔質体が測定対象として選択されることが好ましい。また、複数の多孔質体の含水量の分布状態に一定の傾向がある場合には、測定対象の一部の複数の多孔質体は、該傾向に応じて選択されることが好ましい。例えば、燃料電池の端部側に配置された多孔質体の含水量が燃料電池の中央部に配置された多孔質体の含水量よりも大きくなる傾向がある場合には、少なくとも端部側に配置された多孔質体と中央部に配置された多孔質体とが、測定対象として選択されることが好ましい。
（４）上記実施例では、多孔質体は、金属で形成されているが、他の材料（例えばカーボン）で形成されていてもよい。
また、上記実施例では、流路形成部材として、多孔質体が利用されているが、これに代えて、パンチングメタルや、金属メッシュなどが利用されてもよい。
なお、発電ユニットとセパレータとの間に配置される多孔質体は省略可能である。例えば、ガス拡散層の厚みが大きい場合には、該ガス拡散層が流路形成部材として利用されてもよい。また、セパレータに複数の溝が形成されている場合には、該セパレータが流路形成部材として利用されてもよい。
すなわち、流路形成部材は、反応ガスの流路を形成し、水を保持可能な部材であればよい。また、流路形成部材としては、反応ガスの流路が水によって完全に閉塞されないものを利用することが好ましい。
（５）上記実施例では、カソード側の多孔質体１３０ｃに保持される水の量のバラツキに注目して、本発明を説明した。しかしながら、カソードで生成された水は、電解質膜１１２を介して、アノード側に移動する。したがって、本発明は、アノード側の多孔質体１３０ａに保持される水の量のバラツキを低減させる場合にも、適用可能である。
（６）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池が利用されているが、他のタイプの燃料電池が利用されてもよい。
燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。 燃料電池１００の内部構造を模式的に示す説明図である。 多孔質体１３０ｃ内部に保持された水の分布を示す説明図である。 各多孔質体の含水量のバラツキを低減させるための一連の処理を示すフローチャートである。 燃料電池の負荷と燃料電池内部の温度との関係を示す説明図である。 エアストイキ比と圧力損失との関係を模式的に示す説明図である。 第１実施例におけるステップＳ１１４（図４）の具体的な処理を示すフローチャートである。 ステップＳ２０２（図７）の処理の前後におけるエアストイキ比の分布を示す説明図である。 エアストイキ比とセル電圧との関係を示す説明図である。 第２実施例におけるステップＳ１１４（図４）の具体的な処理を示すフローチャートである。
符号の説明
１００…燃料電池
１１０…発電ユニット
１１２…電解質膜
１１４ａ，１１４ｃ…電極触媒層
１１６ａ，１１６ｃ…ガス拡散層
１２０…セパレータ
１２８…冷却液通路
１３０ａ，１３０ｃ…多孔質体
２００…燃料ガス供給部
２０１…燃料ガス通路
２０２…燃料オフガス通路
２０３…循環通路
２２０…水素ガスタンク
２３６…減圧弁
２３８…流量制御弁
２４０…気液分離器
２４２…排出弁
２５０…循環ポンプ
２６０…遮断弁
３００…酸化ガス供給部
３０１…酸化ガス通路
３０２…酸化オフガス通路
３１０…コンプレッサ
３２０…加湿量調整弁
３４０…圧力調整弁
３５０…加湿器
４０１…合流オフガス通路
５００…冷却部
５１０…熱交換器
５２０…循環ポンプ
６００…制御回路

Claims (5)

  1. 燃料電池システムであって、
    膜電極接合体と、前記膜電極接合体に供給される反応ガスの流路を形成する流路形成部材と、を複数組含む燃料電池と、
    前記各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、前記各流路形成部材に保持される水の量を増大させるための処理を実行する処理実行部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記処理実行部は、前記燃料電池の負荷が低減される場合に、前記処理を実行する、燃料電池システム。
  3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
    前記処理実行部は、定期的に前記処理を実行する、燃料電池システム。
  4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記処理実行部は、
    前記燃料電池に反応ガスを供給する供給部を備え、
    前記処理は、前記供給部によって前記燃料電池に供給される反応ガスの流量を低減させる処理を含む、燃料電池システム。
  5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記処理実行部は、
    前記燃料電池から排出された反応ガスが通る通路に設けられた弁を備え、
    前記処理は、前記弁の開度を低減させる処理を含む、燃料電池システム。
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