JP2009259629A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソード極の水分量を適度な量に調整する。
【解決手段】この発明の燃料電池システムは、電解質と、その両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備える燃料電池と、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給系とを有する。また、更に、燃料供給系から燃料電池に燃料を供給する際の燃料供給圧を調整する圧力調整手段と、カソード極の状態に応じて、前記圧力調整手段により前記燃料供給圧を制御する制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池システムに関する。

一般に、水素を含むアルコール等の燃料が供給される燃料電池として、燃料から純水素を生成する燃料改質器を有し、アノード極触媒層に改質器で生成された純水素が供給される改質方式のものと、アノード極にアルコール等の燃料が直接供給される直接方式のものとが知られている。直接方式の燃料電池として、特許文献１には、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が開示されている。

具体的に、特許文献１に開示された燃料電池は、水素イオン（Ｈ^＋）を伝導する固体高分子電解質膜と、その両側に接するように形成されたアノード極及びカソード極とを有している。アノード極には、希釈されたメタノールが送液ポンプで加圧されて注入される。アノード極ではメタノールの酸化反応が行われることで電子が発生すると共に、酸化反応で生成された水素イオンが電解質膜を透過してカソード極に達する。カソード極には、送気ポンプにより空気が注入され、カソード極では、この空気中の酸素と、外部からの電子と、アノード極からの水素イオンとから、水が生成される。

また特許文献１のシステムは、燃料である高濃度メタノールを希釈するための混合タンクを有し、アノード極から排出される排燃料は、送液ポンプによって混合タンクに戻され、再びアノード極に供給されている。これにより燃料を還流させて循環利用している。また、カソード極で生成された水は回収されて送液ポンプで混合タンクに送られ、高濃度メタノールの希釈に用いられている。

特開２００６−１４７１７９号公報 特開２００４−２４７２２６号公報 特開２００６−７３２１４号公報

ところで、燃料電池として、特許文献１のような水素イオンを伝導体とするものの他に、水酸化物イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池が知られている。アルカリ型燃料電池の電気化学反応においては、カソード極触媒層で酸素と水とから水酸化物イオンが生成され、水酸化物イオンが電解質を透過してアノード極触媒層に達し、アノード極で水酸化物イオンと燃料中の水素とが反応して水が生成される。

このような燃料電池の電気化学反応におけるカソード極での反応が潤滑に行われるためには、カソード極触媒層において、酸素（空気）と水と触媒とが、適度な反応面積を確保して接触していることが望ましい。しかし、アルカリ型燃料電池の場合、上記特許文献１のような燃料電池とは異なり、カソード極では水が生成されない上、カソード極触媒層での水酸化物イオンを生成する反応には、酸素の他に水が必要とされる。カソード極に必要となる水は、通常は、カソード極に供給される酸素の加湿と、アノード極側から電解質中を透過して到達する生成水とにより補われている。

しかし、例えば、高温で低負荷の運転中の場合、アノード極で生成される水が少ないため、アノード極から電解質を通過してカソード極側に浸潤する水分量が少なくなる。このためカソード極触媒層に十分な水分が確保できない場合がある。この場合、カソード極での反応が停滞し、ひいては燃料電池の出力が低下する事態を生じ得る。

カソード極での反応停滞を防止するために、例えば、多量の水蒸気をカソード極に供給する空気（酸素）に添加して供給することが考えられる。しかしこの場合、燃料電池が高負荷で運転された場合などには水分過剰となることが考えられる。カソード極の水分が過剰となると、カソード極触媒全体が水分に覆われ（フラッディング）、これにより酸素の流れが阻害されることが考えられる。この場合、酸素がカソード極触媒の反応場にまで到達できず、カソード極での反応が停滞し、ひいては燃料電池の出力を低下させる事態を生じ得る。

また、燃料電池が高負荷で運転され、アノード極で生成される水分量が多くなる場合、電解質中を透過してカソード極に到達する水分量が過剰となることがある。この場合にも、カソード極でフラッディングが起きて、カソード極での反応が停滞することが考えられる。

従ってこの発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カソード極に適度な量の水を確保することができるよう改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質と、その両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備える燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給系と、
前記燃料供給系から前記燃料電池に燃料を供給する際の燃料供給圧を調整する圧力調整手段と、
前記カソード極の状態に応じて、前記圧力調整手段により前記燃料供給圧を制御する制御手段と、
を備える。

第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷が、第１基準値より小さいか否かを判別する負荷判別手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記負荷が前記第１基準値よりも小さいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、該燃料電池の負荷が前記第１基準値以上である場合に設定される供給圧よりも高くする。

第３の発明は、第２の発明において、
前記負荷判別手段は、前記第１基準値よりも大きい値である第２基準値より、前記負荷が大きいか否かを判別し、
前記制御手段は、前記負荷が前記第２基準値より大きいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、該燃料電池の負荷が前記第１基準値以上かつ第２基準値以下である場合に設定される供給圧よりも低くする。

第４の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷が、基準範囲外となっているか否かを判別する負荷判別手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記負荷が前記基準範囲外と判別された場合に、前記燃料供給圧を周期的に変動させる。

第５の発明は、第４の発明において、
前記負荷判別手段は、前記負荷が前記基準範囲の下限値より小さいか否かを判別し、
前記制御手段は、前記負荷が前記下限値より小さいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記負荷が前記基準範囲内の場合に設定される供給圧よりも高くなる範囲で、周期的に変動させる。

第６の発明は、第４または第５の発明において、
前記負荷判別手段は、前記負荷が前記基準範囲の上限値より大きいか否かを判別し、
前記制御手段は、前記負荷が前記上限値より大きいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記負荷が前記基準範囲内の場合に設定される供給圧よりも低くなる範囲で、周期的に変動させる。

第７の発明は、第１の発明において、
前記カソード極の水分量を検知する水分検知手段と、
前記水分量が、第１水分量より少ないか否かを判別する水分量判別手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記水分量が前記第１水分量よりも少ないと判別された場合に、前記燃料供給圧を、前記水分量が前記第１水分量以上である場合に設定される供給圧よりも高くする。

第８の発明は、第７の発明において、
前記水分量判別手段は、前記第１水分量より大きな値である第２水分量より、前記水分量が多いか否かを判別し、
前記制御手段は、前記水分量が前記第２水分量より多いと判別された場合に、前記燃料供給圧を、該燃料電池の水分量が前記第１水分量以上かつ第２水分量以下である場合に設定される供給圧よりも低くする。

第９の発明は、第１の発明において、
前記カソード極の水分量を検知する水分検知手段と、
前記水分量が、基準水分範囲外であるかを判別する水分量判別手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記水分量が前記基準水分範囲外と判別された場合に、前記燃料供給圧を周期的に変動させる。

第１０の発明は、第９の発明において、
前記水分量判別手段は、前記水分量が前記基準水分範囲の下限値より少ないか否かを判別し、
前記制御手段は、前記水分量が前記下限値より少ないと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記水分量が前記基準水分範囲内の場合に設定される供給圧よりも高くなる範囲で、周期的に変動させる。

第１１の発明は、第９または第１０の発明において、
前記水分量判別手段は、前記水分量が前記基準水分範囲の上限値より多いか否かを判別し、
前記制御手段は、前記水分量が前記上限値より多いと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記水分量が前記基準水分範囲内の場合に設定される供給圧よりも低くなる範囲で、周期的に変動させる。

第１の発明によれば、カソード極の状態に応じて燃料供給圧が制御される。これにより、アノード極からカソード極への水分の透過のしやすさを調整することができ、電解質を透過するカソード極に浸潤する水分量を制御することができる。従って、カソード極の状態に応じた適度な水分を確保することができ、カソード極での反応の停滞を抑制することができる。

ところで、燃料電池の負荷がある程度小さくなる場合、アノード極において生成される水の量が少なくなるため、電解質を透過してカソード極に浸潤する水分の量も少なくなる。従って、カソード極は水不足の状態になりやすいと予測される。一方、負荷がある程度大きくなる場合、アノード極において生成される水の量が多くなるため、カソード極への水の透過量は多くなり、カソード極の水分が過剰な状態となると予測される。

これに対して、第２の発明によれば、燃料電池の負荷が第１基準値よりも小さい場合、第１基準値よりも大きい場合に比較して、燃料供給圧を高くすることができる。このように燃料供給圧を高くすることで、アノード極からカソード極へ、水が透過しやすい状態とすることができる。従って、第２の発明によれば、負荷が小さく、カソード極の水分が少ないと予測させる場合には、燃料供給圧を高くすることでアノード極からカソード極へ水が浸潤しやすい状態とし、一方、負荷が大きく、カソード極の水分が多いと予測される場合には、燃料供給圧を低くすることでアノード極からカソード極へ水が浸潤し難い状態とすることができる。これにより、カソード極を適正な湿潤状態とすることができ、カソード極での反応の停滞を抑制することができる。

また、このような燃料供給圧は、高い／低いの２段階に設定するものではなく、例えば３段階、あるいはそれ以上に設定することができる。この点、第３の発明によれば、負荷が第１基準値より小さい場合、第１基準値以上の場合の供給圧よりも燃料供給圧を高くし、負荷が第２基準値よりも大きい場合、第１基準値以上の場合の供給圧よりも燃料供給圧を低くする。即ち、負荷が、第１基準値より小さい場合、第１基準値以上かつ第２基準値以下の場合、第２基準値より大きい場合によって、それぞれ、アノード極への燃料供給圧を設定することができる。従って、より適切に、カソード極への水分の浸潤状態を調整することができ、水分不足又は過剰によるカソード極での反応の停滞を抑制することができる。

第４乃至第６の発明によれば、燃料電池の負荷が基準範囲外である場合に、燃料供給圧を周期的に変動させることができる。これにより、供給される燃料の流れに脈動を与えることができ、燃料をアノード極全体に行き渡らせることができる。また、燃料供給圧が高い状態と低い状態とを変動させることで、カソード極への水の透過量を変化させることができるため、カソード極の水分量を増減させることができる。従って、カソード極に十分な水分を供給しつつ、かつカソード極での水分が少ない状態においては酸化剤を十分に行き渡らせることができ、カソード極での反応を促進することができる。

第７乃至第１１の発明によれば、カソード極の水分量を検知する水分検知手段を有し、これによってカソード極の水分量に応じた上記同様の制御を行なうことができる。従って、カソード極の状態に応じてカソード極を適度な湿潤状態に調整することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の燃料電池について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池システムは、陰イオンを伝導体とするアルカリ型の燃料電池２を有している。燃料電池２はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはそれぞれ、アノード触媒層１２とカソード触媒層１４とが形成されている。アノード触媒層１２とカソード触媒層１４の両外側には、一対の拡散層１６、１８が配置され、アニオン交換膜１０とアノード触媒層１２とカソード触媒層１４とは、両側の拡散層１６、１８により挟持されている。アノード触媒層１２側の拡散層１６の外側には集電板２０が配置され、集電板２０の外側に、燃料を流通させるための燃料流路２２が形成されている。カソード触媒層１４側の拡散層１８の外側には集電板２４が配置され、集電板２４の外側に、酸素（空気）を流通させるための空気流路２６が形成されている。集電板２０、２４の端子には外部回路２８が接続している。外部回路２８には、燃料電池２の負荷（出力）を検出する出力モニタ３０が設置されている。

ここで、アニオン交換膜１０は、カソード触媒層１４で生成される水酸化物イオンをアノード触媒層１２側に移動させることができる媒体である。アニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜を用いることができる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。

アノード触媒層１２及びカソード触媒層１４のそれぞれは、触媒粒子を、撥水剤と水との混合液に溶かしてアニオン交換膜１０に塗布することで形成され、拡散層１６、１８に挟持されることより保持されている。各触媒層１２、１４の触媒粒子は、後述する各触媒層１２、１４での反応を触媒する機能を有するものである。具体的な触媒粒子としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）により形成されたもの、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいはこれらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体を担体に担持させたもの等が挙げられる。

図１を参照して、燃料流路２２の燃料導入口４０と燃料排出口４２には、それぞれ燃料供給系４４が接続している。燃料供給系４４は、燃料タンク４６と、燃料タンク４６にそれぞれ接続する流路４８と流路５０とを備えている。流路４８は、燃料タンク４６と燃料導入口４０とを接続し、燃料流路２２に燃料を注入させる。流路４８には燃料供給圧を調整するためのレギュレータ５２が取り付けられている。流路５０は燃料タンク４６と燃料排出口４２とを接続し、燃料流路２２から排出される排燃料を燃料タンク４６に導入する。流路５０には、燃料供給系４４内に燃料を還流させるための送液ポンプ５４が取り付けられている。

空気流路２６の空気導入口５６、空気排出口５８には、それぞれ、空気供給路６０、空気排出路６２が接続している。空気供給路６０の途中には、加湿器６４が設置されている。また、空気供給路６０の空気導入口５６付近には温度センサ６６が取り付けられている。

この燃料電池システムは制御装置７０を有している。制御装置７０は、例えば、出力モニタ３０や温度センサ６６等に接続され、これらの出力を受けて燃料電池２の運転状態に関する情報を取得する。一方、制御装置７０は、例えば、レギュレータ５２や送液ポンプ５４等に接続され、これらに制御信号を発することで燃料供給圧等を制御する。

このシステムにおいて、燃料タンク４６には燃料としてエタノール水溶液が貯蔵されている。燃料電池２の運転が開始されると、アノード極（１２、１６及び２０）側に供給されたエタノールは、アノード触媒層１２の機能により分解されて水素原子となり、アニオン交換膜１０を透過して移動した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。このとき放出される電子は集電板２０に回収され外部回路２８を通過してカソード極（１４、１８及び２４）側の集電板２４に移動する。アノード触媒層１２に燃料としてエタノールが供給されて、これが分解される場合には、結果的に、アノード触媒層１２では次式（１）に示す反応が起きる。
ＣＨ_３ＣＨ_２ＯＨ＋１２ＯＨ⁻ → ９Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２＋１２ｅ⁻ ・・・（１）

一方、カソード触媒層１４に空気が供給されると、空気中の酸素分子（Ｏ_２）はカソード触媒層１４の機能によりいくつかの段階を経て電子を受け取って水と反応し、水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンはアニオン交換膜１０を通過してアノード触媒層１２側に移動する。カソード触媒層１４での反応は、次式（２）のようになる。
１/２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻ ・・・・（２）

以上のようなアノード極とカソード極側における反応をまとめると、燃料電池２全体では水の生成反応が起き、電子は両極の集電板２０、２４との間を、外部回路２８を介して移動する過程で回路の負荷に対して仕事を行い、これによりエネルギーが取り出されることとなる。

図２は、燃料供給圧を基準供給圧Ｐ０に設定した状態を説明するための模式図であり、図２（ａ）はアニオン交換膜１０の状態、図２（ｂ）〜（ｄ）は、カソード触媒層１４の状態を模式的に表したものである。ここで基準供給圧Ｐ０は、この実施の形態１のシステムにおいて、燃料電池２の負荷（出力）が予め設定された基準範囲内にある場合に設定される燃料供給圧である。基準供給圧は、従来の燃料電池の運転中に設定される燃料供給圧と同様に燃料電池ごとに適宜設定されるものである。

図２（ａ）に示すように、燃料供給圧を基準供給圧Ｐ０とした状態においては、アニオン交換膜１０は通常の状態、即ち、ほぼ歪曲のない状態で保持されている。ここで、式（２）に示されるように、カソード触媒層１４の反応においては酸素と水とが必要となる。このため空気供給路６０に取り込まれた空気を、加湿器６４を通過させることで加湿し、ある程度水分を含んだ状態で空気流路２６に供給する。また、燃料電池２の運転中、式（１）に示すようにアノード触媒層１２では水が生成される。この生成水はアニオン交換膜１０を透過して水酸化物イオンがアノード触媒層１２側に移動すると、その対流によりカソード触媒層１４に浸潤する。この浸潤した生成水によってもカソード触媒層１４に水分が補われることとなる。

燃料電池２の負荷が基準範囲内にある場合、空気の加湿と生成水のアノード触媒層１２からの浸潤によって、カソード触媒層１４は適正な湿潤状態に保たれていると予測される。即ち、図２（ｂ）に示すように、触媒粒子１４０周囲にはある程度の水分１４２が存在し、かつ、触媒粒子１４０は完全に水分１４２に覆われておらず、空気が流通可能な状態となっている。つまり、触媒粒子１４０と水分１４２と空気とが適度な反応面積を確保しつつ接触できる状態となっていると考えられる。

しかし、例えば、燃料電池２の負荷が低い場合（即ち出力が小さい場合）には、アノード触媒層１２で生成させる水分量が少なく、カソード触媒層１４からの水酸化物イオンの透過量も少なくなる。従って、基準供給圧Ｐ０で燃料が供給される状態では、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４に浸潤する水分量も少なくなる。即ち、図２（ｃ）に示すように触媒粒子１４０周囲に存在する水分１４２が少なく、水が不足した状態となることが予測される。この現象は、低負荷運転中の、特に、高温環境下で顕著となる。カソード触媒層１４での水分が不足すると、上記（２）に示す反応が停滞することとなり、ひいては、燃料電池の出力を低下させる事態が生じ得る。

一方、燃料電池２の負荷が高い場合（即ち出力が大きい場合）、アノード触媒層１２では多量の水が生成される。この場合、カソード触媒層１４からの水酸化物イオンの透過量も多くなるため、対流としてカソード触媒層１４に浸潤する水分量は増加する。この場合、カソード触媒層１４は水分過剰の状態となって、図２（ｄ）に示すように、触媒粒子１４０全体が水分１４２で覆われた状態（フラッディング）となることが予測される。この場合、空気の流れが触媒粒子１４０表面を覆う水分１４２に阻害されて、カソード触媒層１４の触媒粒子１４０に反応に必要な酸素が到達できない状態となる。この場合にも、カソード触媒層１４での反応が停滞し、燃料電池２の出力を低下させる事態を生じ得る。

従って、実施の形態１においては、カソード触媒層１４の水不足やフラッディングを抑制してカソード触媒層１４を適切な湿潤状態に維持するべく、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４への水分の透過量を調整する。具体的に、この実施の形態１においては、アノード極に供給する燃料の供給圧を変化させる。

図３は、燃料供給圧を基準供給圧Ｐ１よりも高い、高圧力Ｐ１とした状態を説明するための模式図である。このように燃料供給圧を所定の高圧力Ｐ１とした場合、アニオン交換膜１０は、図３に示すようにカソード触媒層１４側に押された歪曲状態となる。このように供給圧を高くすることでアノード触媒層１２側からカソード触媒層１４側への生成水の浸潤が促進されるため、カソード触媒層１４の水分量が増加すると考えられる。そこで、カソード触媒層１４の水分が不足しやすい低負荷の場合には、アノード触媒層１２への燃料供給圧を、高圧力Ｐ１に制御することで、カソード触媒層１４への水の浸潤量を増加させる。

図４は、燃料供給圧を基準供給圧Ｐ０より低い、低圧力Ｐ２とした状態を説明するための模式図である。燃料供給圧を所定の低圧力Ｐ２とした場合、アニオン交換膜１０は、図４に示すように、アノード触媒層１２側に押された歪曲状態となる。このように供給圧を低くすることで、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４への生成水の湿潤はしにくい状態となり、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４に到達する水分量は減少する。そこで、カソード触媒層１４の水分が過剰となりやすい高負荷での運転時には、アノード触媒層１２から移動する水分量を抑制するため、燃料供給圧を低圧力Ｐ２に制御する。

より具体的に、この実施の形態１では、基準供給圧Ｐ０において、カソード触媒層１４が適度な湿潤状態（図２（ｂ））を維持できる範囲の出力を、第１基準値Ａ１以上第２基準値Ａ２以下で示される基準範囲とする。そして、燃料電池２の出力（負荷）が基準範囲より小さい場合、即ち、基準範囲の下限値である第１基準値Ａ１よりも小さい場合に、カソード触媒層１４の水分が不足しやすい低負荷であるとし、この場合には、燃料供給圧を高圧力Ｐ１に制御する。また、燃料電池２の出力（負荷）が基準範囲より大きい場合、即ち、基準範囲の上限値である第２基準値Ａ２よりも大きい場合に、カソード触媒層１４がフラッディングを起こしやすい高負荷であるとし、この場合には、燃料供給圧を低圧力Ｐ２に制御する。

なお、このような基準範囲は、燃料電池ごとに実験等に求め、予め制御装置７０に記憶しておく。また、高圧力Ｐ１及び低圧力Ｐ２は、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４への水分の透過量と共に、アニオン交換膜１０等の強度を考慮して燃料電池２の耐久性が許容範囲を越えて低下しないように設定される。また、燃料供給圧の制御は、レギュレータ５２（圧力調整手段）の設定圧力を制御することによって行なうことができる。

図５は、この発明の実施の形態１において制御装置が実行する具体的な制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図５に示すルーチンは、燃料電池２の運転中、一定時間ごとに繰り返し実行される。図５のルーチンにおいて、まず、燃料電池２の出力Ａが検出される（Ｓ１０２）。燃料電池の出力Ａは出力モニタ３０の出力が制御装置７０に読み込まれ、この出力モニタ３０の出力に応じて求められる。

次に、検出された出力Ａが、第１基準値Ａ１よりも小さいか否かが判別される（Ｓ１０４）。第１基準値Ａ１は、上記のように基準供給圧Ｐ０で燃料を供給した場合に、カソード触媒層１４が適正な湿潤状態に維持されると予測される基準範囲の下限値である。従って、ステップＳ１０４において出力Ａ＜第１基準値Ａ１が成立する場合には、カソード触媒層１４が水不足状態となりやすいと判断される。

従って、ステップＳ１０４において出力Ａ＜第１基準値Ａ１の成立が認められると、次に、燃料供給圧が高圧力Ｐ１に制御される（Ｓ１０６）。具体的には、制御装置７０からレギュレータ５２に制御信号が発せられ、レギュレータ５２の設定圧力が高圧力Ｐ１に変えられる。これにより、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４へ水が浸潤しやすい状態とすることができ、カソード触媒層１４を適度な水分を確保することができる。

一方、ステップＳ１０４において出力Ａ＜第１基準値Ａ１の成立が認められない場合、次に、出力Ａが第２基準値Ａ２より大きいか否かが判別される（Ｓ１０８）。第２基準値Ａ２は、上記のように基準供給圧Ｐ０で燃料を供給した場合に、カソード触媒層１４が適正な湿潤状態に維持されると予測される基準範囲の上限値である。従って、ステップＳ１０８において出力Ａ＞第１基準値Ａ２が成立する場合には、カソード触媒層１４でフラッディングを起こしやすい状態となっていると判断される。

従って、ステップＳ１０８において出力Ａ＞第２基準値Ａ２の成立が認められる場合、燃料供給圧が低圧力Ｐ２に制御される（Ｓ１１０）。具体的には、制御装置７０からレギュレータ５２に所定の制御信号が発生され、燃料供給圧が低圧力Ｐ２とされる。これにより、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４へ生成水が浸透しにくい状態とすることができ、カソード触媒層１４への過剰な水分の浸潤によるフラッディングの発生が抑制される。

一方、ステップＳ１０８において出力Ａ＞第２基準値Ａ２の成立が認められない場合、出力Ａが、基準範囲（第１基準値以上、かつ第２基準値以下）の状態にある。この状態においでは、通常の燃料供給圧Ｐ０とすればカソード触媒層１４はある程度適正な湿潤状態に維持されるものと判断される。従って、ステップＳ１０８において出力Ａ＞第２基準値Ａ２の成立が認められない場合、燃料供給圧が通常の供給圧である基準供給圧Ｐ０に制御される（Ｓ１１２）。

以上説明したように、実施の形態１によれば、燃料電池２の負荷が基準範囲より低い場合には燃料供給圧が高く、燃料電池の負荷が基準範囲より高い場合には燃料供給圧が低く制御される。これにより、アノード触媒層１２側からカソード触媒層１４に移動する生成水の量を制御することができ、カソード触媒層１４における水分不足やフラッディングを抑制することができる。

なお、例えば、実施の形態１において、ステップＳ１０２が実行されることで、この発明の「負荷検出手段」が実現し、ステップＳ１０４又はＳ１０８が実行されることで「負荷判別手段」が実現し、ステップＳ１０６又はＳ１１０が実行されることで「制御手段」が実現する。

なお、実施の形態１においては、燃料電池の負荷（出力）のみに応じて、燃料供給圧を制御する場合について説明した。しかし、カソード触媒層１４の水分量は、そのときの運転温度によっても変化するものである。従って、例えば、ある程度の高温の場合に燃料供給圧を低くし、低温の場合に燃料供給圧を高くするなどとしてもよい。また、高温・低負荷の場合など、より水不足を起こし易い環境で燃料供給圧を高くするなど、温度条件と負荷条件とを設定して、それに応じて燃料供給圧を制御するようにしてもよい。これについては、実施の形態２も同様である。

また、この発明は、温度や負荷によりカソード触媒層１４の水分状態を予測する場合に限るものではない。例えば、カソード触媒層１４に水の検知器（水分検知手段）を取り付け、水の検知器により直接カソード触媒層１４の水分量を検出するものであってもよい。この場合にも基準供給圧において適正な出力を維持できる基準水分範囲（例えば、第１水分量以上、第２水分量以下）を実験等により求めて予め制御装置７０に記憶し、検出された水分量が第１水分量より少ない場合には、燃料供給圧を高圧力Ｐ１とし、水分量が多い場合には燃料供給圧を低圧力Ｐ０とすることで、実施の形態１と同様の制御を適用することができる。これについては、実施の形態２も同様である。

なお、このような制御において、水分量が第１水分量より少ないか否かを判別し、又は、水分量が第２水分量より多いか否かを判別することで、この発明の「水分量判別手段」が実現し、その水分量に応じて、燃料供給圧を高圧力Ｐ１または低圧力Ｐ２に制御することで、この発明の「制御手段」が実現する。

また、アノード触媒層１２から浸潤する生成水は、アニオン交換膜１０を透過したものであるためアルカリ性を示す。従って、カソード触媒層１４のアルカリ濃度を検出することで、アノード触媒層１２側からの水の透過量をある程度予測することができる。従って、例えばカソード触媒層１４近傍にｐＨメータ（水分検知手段）等を設置して、カソード触媒層１４のアルカリ濃度を検出することで、カソード触媒層１４の水分量を予測し、これに応じて供給圧を制御することもできる。これについては、実施の形態２も同様である。

また、実施の形態１では、基準範囲を第１基準値以上第２基準値以下（又は第１水分量以上第２水分量以下）と設定し、この範囲より小さい場合に燃料供給圧を高圧力Ｐ１とし、この範囲より大きい場合に燃料供給圧を低圧力Ｐ０とする場合について説明した。しかし、この発明はこのように、燃料供給圧を３段階に制御する場合に限るものではなく、例えば、供給圧を２段階に制御することとしてもよい。このような制御は、例えば、基準範囲をある基準出力以上（又は基準水分量以上）とし、この基準出力（又は基準水分量）より小さい場合に、燃料供給圧を、基準出力（基準水分量）以上の場合の供給圧よりも高くなるように制御することで実現することができる。また、同様に、燃料供給圧は、４段階以上に制御するものであってもよい。これについては、実施の形態２も同様である。

また、実施の形態１では、説明の簡略化のため１のアニオン交換膜１０とその両側の一対の電極を有する燃料電池を図示して説明した。しかし、この発明において燃料電池はこれに限るものではなく、アニオン交換膜１０とその両側の電極等からなる単セルが、セパレータを介して複数積層された構造を有するものであってもよい。この場合にも、燃料電池全体の出力を検出し、これに応じて燃料供給圧を制御したり、あるいは、空気導入口、空気排出口付近の温度、アルカリ濃度、水分量等を検出することでカソード触媒層１４の水分量を予測し、それに応じて上記同様の燃料供給圧の制御を適用することができる。これについては、実施の形態２も同様である。

実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池システムは、図１に示すシステムと同様の構成を有する。また、実施の形態２の燃料電池システムは、燃料電池の負荷が基準範囲（第１基準値Ａ１以上第２基準値Ａ２以下）外となる場合に、燃料供給圧を所定の範囲で変動させることで燃料を脈動させて供給する点を除き、実施の形態１のシステムと同様の制御を行なうものである。

図６は、燃料電池２の負荷が基準範囲外である場合に設定される燃料供給圧の変動について説明するための図である。実施の形態２のシステムは、燃料電池２の出力が基準範囲外である場合に、燃料供給圧を変動させる。具体的に、燃料電池２の負荷が基準範囲より小さい場合、即ち、出力Ａが第１基準値Ａ１より小さい場合、カソード触媒層１４では水不足となっていることが予測される。従って、この場合、図６の曲線（ａ）に示すように、高圧力範囲で燃料供給圧を変動させる。

ここで高圧力範囲は、通常の基準供給圧Ｐ０と比較して、少なくとも最高圧力が基準供給圧Ｐ０よりも高く、かつ、その平均値Ｐａ１が基準供給圧Ｐ０よりも高くなるように設定されたものである。このように、基準供給圧Ｐ０よりも平均して高い圧力に設定されることで、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４へ、水が浸潤しやすい状態となる。特に、最高圧力付近では水がカソード触媒層１４へ移動しやすい。また、高圧力範囲の下限圧力付近になると、カソード触媒層１４へ水が浸潤しにくく、あるいは、逆にアノード触媒層１２側に引き戻され、カソード触媒層１４での水が減少した状態となる。従って、十分な水を供給する一方、供給圧が低い状態においてカソード触媒層１４への空気の流通を確保することができるため、カソード触媒層１４での反応を促進することができる。

また、燃料電池２の負荷が大きい場合、即ち、出力Ａが第２基準値Ａ２よりも大きい場合、カソード触媒層１４はフラッディングが起きやすい状態であることが予測される。従って、この場合、図６の曲線（ｂ）に示すように、低圧力範囲で燃料供給圧を変動させる。

ここで、低圧力範囲は、基準供給圧Ｐ０と比較して、少なくとも低圧力範囲の最低圧力が、基準供給圧Ｐ０よりも低く、かつ、その平均値Ｐａ２が基準供給圧Ｐ０よりも低くなるように設定される。このように基準供給圧Ｐ０よりも平均して低い圧力で設定されることで、アノード触媒層１２からカソード触媒層１４への水の浸潤しにくい状態となる。特に最低供給圧付近では、カソード触媒層１４への水の移動がしにくく、あるいは、逆に水分がアノード触媒層１２側に引き戻される。従って、カソード触媒層１４のフラッディングを抑制することができる。一方、最高圧力付近では、アノード触媒層１２からの水分が比較的カソード触媒層１４に浸潤しやすい状態となる。従って、カソード触媒層１４の水分不足の発生が抑制される。このように供給圧を適度な範囲で変動させることで、カソード触媒層１４に適正な水分を維持することができる。

また、アノード触媒層１２でこのように、燃料供給圧を変動させて脈動させることで、アノード触媒層１２に蓄積する不純物を除去することができる。従って、アノード触媒層１２における反応をも促進することができ、燃料電池２の発電性能をより向上させることができる。なお、このような高圧力範囲及び低圧力範囲は、燃料電池２のアニオン交換膜１０等の強度を考慮して、燃料電池の必要な耐久性を維持できる範囲で設定される。

図７は、実施の形態２のシステムにおいて制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図７のルーチンは、ステップＳ２０６、Ｓ２１０の制御において、燃料供給圧が所定の範囲で変動するように制御される点を除いて、図５のルーチンと同じものである。

具体的に、ステップＳ２０４において、燃料電池２の出力Ａが第１基準値Ａ１よりも小さいと判別された場合、燃料電池２の負荷が小さく、カソード触媒層１４で水不足となっていると判断される。この場合、ステップＳ２０６において、燃料供給圧が、高圧力範囲（曲線（ａ））で周期的に変動するよう制御される。

同様に、ステップＳ２０８において、燃料電池２の出力Ａが第２基準値Ａ２よりも大きいと判断された場合、燃料電池２の負荷が大きく、カソード触媒層１４でフラッディングが生じる状態であると予測される。従って、ステップＳ２１０において、燃料供給圧は、低圧力範囲（曲線（ｂ））で周期的に変動するよう制御される。

このように、低負荷、高負荷の場合に燃料供給圧を周期的に変動させることで、カソード触媒層１４に移動する水分量を燃料電池２のカソード触媒層１４の水分状態に応じて調整することができる。また、実施の形態２においては、燃料の脈動により、燃料をより効率的にアノード触媒層１２全体に供給される。従って、例えば、燃料電池２が複数のセルが積層された構造と成っている場合には、特に下流側のセルのアノード触媒層１２にまで燃料を行き渡らせることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

なお、実施の形態２において、ステップＳ２０２が実行されることで、この発明の「負荷検出手段」が実現し、ステップＳ２０４又はＳ２０８が実行されることで「負荷判別手段」が実現し、ステップＳ２０６又はＳ２１０が実行されることで「制御手段」が実現する。

なお、実施の形態２においては、出力を検出することで、カソード触媒層１４の状態を予測し、これによって燃料供給圧の圧力範囲を制御する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、実施の形態１と同様に、例えば、カソード触媒層１４の水分を水の検知器によって直接検知したり、あるいは、ｐＨメータ等によって検知したりすることで、この水分量に応じて制御するものであってもよい。

また、実施の形態２においては、第１基準値よりも小さい低出力の場合に、燃料供給圧を高圧力範囲に設定し、第２基準値よりも大きい高出力の場合に、燃料供給圧を低圧力範囲に設定する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば燃料電池２の負荷が基準範囲外である場合に、ある一定の範囲で燃料供給圧を変動させるようにするものであってもよい。このように燃料供給圧が一定の範囲で変動することにより、カソード触媒層１４側へ水が移動しやすい状態と、水が移動しにくく、アノード触媒層１２側に引き戻されやすい状態とを繰り返すことができ、カソード触媒層１４を適度な湿潤状態に保つことができる。また、燃料供給の脈動により、アノード触媒層１２全体に燃料が行き渡りやすい状態とすることができる。

なお、実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

この発明の実施の形態１の燃料電池システムについて説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１において、燃料電池に供給する燃料供給圧を基準供給圧とした場合の燃料電池の状態を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１において、燃料電池に供給する燃料供給圧を所定の高圧力とした場合の燃料電池の状態を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１において、燃料電池に供給する燃料供給圧を所定の低圧力とした場合の燃料電池の状態を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２における燃料供給圧の変動範囲について説明するための図である。 この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

符号の説明

２ 燃料電池
１０ アニオン交換膜
１２ アノード触媒層
１４ カソード触媒層
１６ 拡散層
１８ 拡散層
２０ 集電板
２２ 燃料流路
２４ 集電板
２６ 空気流路
２８ 外部回路
３０ 出力モニタ
４０ 燃料導入口
４２ 燃料排出口
４４ 燃料供給系
４６ 燃料タンク
４８、５０ 流路
５２ レギュレータ
５４ 送液ポンプ
５６ 空気導入口
５８ 空気排出口
６０ 空気供給路
６２ 空気排出路
６４ 加湿器
６６ 温度センサ
７０ 制御装置

Claims (11)

1. 電解質と、その両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備える燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給系と、
   前記燃料供給系から前記燃料電池に燃料を供給する際の燃料供給圧を調整する圧力調整手段と、
   前記カソード極の状態に応じて、前記圧力調整手段により前記燃料供給圧を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷が、第１基準値より小さいか否かを判別する負荷判別手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記負荷が前記第１基準値よりも小さいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、該燃料電池の負荷が前記第１基準値以上である場合に設定される供給圧よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記負荷判別手段は、前記第１基準値よりも大きい値である第２基準値より、前記負荷が大きいか否かを判別し、
   前記制御手段は、前記負荷が前記第２基準値より大きいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、該燃料電池の負荷が前記第１基準値以上かつ前記第２基準値以下である場合に設定される供給圧よりも低くすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記負荷が、基準範囲外となっているか否かを判別する負荷判別手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記負荷が前記基準範囲外と判別された場合に、前記燃料供給圧を周期的に変動させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記負荷判別手段は、前記負荷が前記基準範囲の下限値より小さいか否かを判別し、
   前記制御手段は、前記負荷が前記下限値より小さいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記負荷が前記基準範囲内の場合に設定される供給圧よりも高くなる範囲で、周期的に変動させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記負荷判別手段は、前記負荷が前記基準範囲の上限値より大きいか否かを判別し、
   前記制御手段は、前記負荷が前記上限値より大きいと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記負荷が前記基準範囲内の場合に設定される供給圧よりも低くなる範囲で、周期的に変動させることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記カソード極の水分量を検知する水分検知手段と、
   前記水分量が、第１水分量より少ないか否かを判別する水分量判別手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記水分量が前記第１水分量よりも少ないと判別された場合に、前記燃料供給圧を、前記水分量が前記第１水分量以上である場合に設定される供給圧よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記水分量判別手段は、前記第１水分量より大きな値である第２水分量より、前記水分量が多いか否かを判別し、
   前記制御手段は、前記水分量が前記第２水分量より多いと判別された場合に、前記燃料供給圧を、該燃料電池の水分量が前記第１水分量以上かつ第２水分量以下である場合に設定される供給圧よりも低くすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記カソード極の水分量を検知する水分検知手段と、
   前記水分量が、基準水分範囲外であるかを判別する水分量判別手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記水分量が前記基準水分範囲外と判別された場合に、前記燃料供給圧を周期的に変動させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記水分量判別手段は、前記水分量が前記基準水分範囲の下限値より少ないか否かを判別し、
    前記制御手段は、前記水分量が前記下限値より少ないと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記水分量が前記基準水分範囲内の場合に設定される供給圧よりも高くなる範囲で、周期的に変動させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記水分量判別手段は、前記水分量が前記基準水分範囲の上限値より多いか否かを判別し、
    前記制御手段は、前記水分量が前記上限値より多いと判別された場合に、前記燃料供給圧を、その平均値が、前記水分量が前記基準水分範囲内の場合に設定される供給圧よりも低くなる範囲で、周期的に変動させることを特徴とする請求項９または１０に記載の燃料電池システム。

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